Redukce ozonu v ovzduší: Příčiny a důsledky

Změny ve složení atmosféry vlivem vypouštění nejrůznějších chemických látek dosáhly během posledních několika let až desetiletí takových rozměrů, že jejich následky se začínají v současné době projevovat na nejrůznějších místech a za nejrůznějších situací. V tomto příspěvku si dovolíme poukázat na vliv fenoménu, o němž se v posledních letech dosti mluví, a který se jmenuje úbytek stratosférického ozónu.

Prakticky každý den se ve veřejně šířených předpovědích počasí můžeme setkat s informací, jaké je celkové množství ozónu v atmosféře nad námi a v jakém vztahu je toto množství k dlouhodobému průměru. Pečlivému pozorovateli jistě neušlo, že dnů, kdy celkové množství ozónu převyšuje dlouhodobý průměr, je velmi poskrovnu. Způsob prezentace problematiky ubývání ozónu ve sdělovacích prostředcích vede k tomu, že ve veřejnosti převládá názor, že nedostatek ozónu ve stratosféře má vliv pouze na to, jak dlouho se můžeme opalovat. Nicméně ultrafialové záření, které ve zvýšené míře proniká zeslabenou ozónovou vrstvou nevyvolává jenom rakovinu kůže a zánět spojivek, avšak ovlivňuje vše živé na povrchu této planety a v povrchových vrstvách oceánů.

Ozón je tříatomární forma kyslíku, vznikající v atmosféře složitými chemickými reakcemi za spolupůsobení ultrafialového záření, popř. elektrickými výboji. Z jeho celkového množství se v přízemních vrstvách vzduchu vyskytuje 8 - 15 %, zbývající část dosahuje maximálních koncentrací ve výškách od 20 do 25 km. Je nutno si uvědomit, že ozón je poměrně jedovatý a proto jej v přízemní vrstvě považujeme za významný škodlivý činitel (někdy se označuje jako "špatný" ozón), zatímco ve stratosféře pohlcuje škodlivé ultrafialové záření ("dobrý" ozón).

Množství ozónu v atmosféře se udává pomocí Dobsonových jednotek (DU), které vyjadřují tloušťku ozónové vrstvy po převedení na normální tlak a teplotu v setinách milimetru. Hodnota 329 DU tedy znamená, že kdybychom veškerý ozón v atmosféře koncentrovali při hladině moře, dosáhla by jeho vrstva tloušťky 3,29 mm. Z tohoto příkladu je zřejmé, že o našem bytí a nebytí rozhoduje vzhledem k celkové hmotě atmosféry nepatrné množství ozónu.

Vlivem nekontrolovaného vypouštění především halogenovaných chlorofluorouhlovodíků (CFC), často označovaných jako freony, v poválečném období, začalo docházet koncem sedmdesátých let nejdříve nad jižními polárními oblastmi, kde byli příznivější podmínky, k redukci ozónové vrstvy o poměrně značné hodnoty (známé "ozónové díry").

Čtěte také: Redukce emisí u Citroen C3

S úbytkem celkového množství ozónu souvisí i nárůst dávek ultrafialového záření, přičemž biologicky nejvýznamnější pás spektra, označovaný jako UVB, se nachází v intervalu od 280 do 320 nm. Závislost mezi poklesem koncentrace ozónu a zvýšením UVB záření na zemském povrchu není jednoduchá a závisí jak na zenitovém úhlu Slunce, tak i na množství oblačnosti, koncentraci prachových a aerosolových částic apod. Paradoxně se tak v oblastech s menším znečištěním ovzduší mohou vyskytovat vyšší dávky UVB záření, což svádí k filozofickým úvahám, co lze ještě považovat za zdravé, popř. nenarušené životní prostředí.

Uvádí se, že zatažená obloha redukuje množství dopadlého UVB záření o 50 - 60 %. Monitorováním stavu ozónové vrstvy nad naším územím se zabývá již od roku 1962 pobočka Českého hydrometeorologického ústavu v Hradci Králové. Za toto období bylo možno stanovit poměrně s dostatečnou přesností průměrné hodnoty pro jednotlivé dny v roce a od těchto průměrů se stanovují odchylky, tak jak se s nimi lze setkat ve sdělovacích prostředcích.

K dokumentaci neradostného stavu ozónové vrstvy v posledních letech lze použít údaje z loňského roku, znázorněné na obr. 1. Na tomto obrázku jsou zachyceny jak denní hodnoty celkového množství ozónu v DU, tak i dlouhodobé průměrné hodnoty a z nich vypočítané odchylky od normálu v průběhu vegetačního období. Jak je z obrázku zřejmé, ke spočtení dnů, v nichž bylo množství ozónu nad svým dlouhodobým průměrem, postačí všechny prsty. Po zbývající část vegetačního období byly odchylky záporné, a to především na jaře a na podzim, přičemž za nejnepříznivějších situací přesáhly -25 %.

Lze předpokládat, že více než průměrná odchylka za delší období (např. měsíc) se při vlivu na živé organizmy bude více projevovat okamžitá odchylka, při níž jsou organizmy vystaveny zvýšeným dávkám UVB záření. Na obr. 2 jsou vyneseny počty dnů (opět za vegetační období), v nichž byly odchylky větší než -10, -15 a -20 % od dlouhodobého průměru.

Lze pozorovat, že kromě krátkých epizod v letech 1983 a 1985, dochází k poměrně prudkému nárůstu dnů s odchylkami pod uvedenými hodnotami od počátku 90-tých let, přičemž rok 1993 lze zatím považovat za nejnepříznivější. Zvlnění křivek je způsobeno tzv. kvazidvouletým cyklem proudění nad rovníkem, který spočívá v tom, že ve vrstvě atmosféry od 20 do 35 km převládá přibližně po dobu jednoho roku východní proudění a v průběhu následujícího roku západní, což se projevuje i v zesilování a zeslabování koncentrací ozónu v mírných šířkách. Jedná se o pěknou ukázku toho, že atmosféra na této planetě je jenom jedna a vytváří navzájem provázaný systém, kdy narušení jedné složky se projeví změnou parametrů jiné složky a ještě k tomu na jiném místě.

Čtěte také: Jak snížit emise: praktické tipy

Důsledky redukce ozonu

Ultrafialové záření v pásmu B je nebezpečné především tím, že narušuje molekuly DNA, což vede často k nejrůznějším mutacím a zhoubnému bujení. U rostlin se vliv UVB záření projevuje nejrůznějšími způsoby a závisí jak na druhu rostliny, tak i na její morfologii, především orientaci listů vzhledem k dopadajícímu záření apod.

Pozorování, prováděná v roce 1995 ve Virginii v USA na širokolistých dřevinách, uvádějí následující typy poškození: skvrny podobné puchýřkům na řapících, hnědé skvrny podobné antraknóze na listech a zkadeřavění listů. U topolu hnědnutí začalo u konce čepelí a rozšiřovalo se poměrně rychle na celé listy, až došlo k jejich opadu. Nejvíce poškozeny byly listy na vnějších větvích osamoceně stojících starších stromů. Podle sdělení fytopatologů nešlo o poškození způsobené chorobami a škůdci, stejně tak ani o vliv chemických příměsí v ovzduší.

Od roku 1995 bylo na polních plodinách v okrese Opava pozorováno poškození listů, které nebylo možno přisoudit žádnému jinému doposud známému abiotickému anebo biotickému faktoru. Začátkem srpna v roce 1995 se na většině porostů v různé intenzitě objevily na listech světle hnědé, jakoby pergamenovité skvrny, u nichž nebyla zjištěna přítomnost žádné choroby.

V roce 1996 se koncem června na listech cukrovek objevily stříbřitě šedé skvrny připomínající puchýřky. Poškození se projevovalo v různé intenzitě, na některých porostech i dost výrazně. V roce 1997 bylo u cukrovek zaznamenáno poškození, které se projevilo výrazněji než v předchozích dvou letech. Zhruba začátkem června byly zjišťovány na nejstarších listech málo výrazné nepravidelné žluté skvrny až nekrózy.

Některé listy byly mírně zkadeřené, postupně docházelo k tvorbě jakoby drobných našedlých puchýřků, poměrně dobře výrazných. Od 2. poloviny června, kdy se vytvořily velmi příznivé vegetační podmínky (dostatek srážek, příznivá vlhkost, výrazné oteplení), došlo k velmi intenzivnímu růstu cukrovek. U nejspodnějších listů došlo k jejich popraskání a mezi žilnatinou se objevily oválné díry, které dosahovaly velikosti až 4 cm, u některých listů se okraje stočily směrem vzhůru.

Čtěte také: Minimalizace odpadu u domácích spotřebičů

Příznaky poškození přímo podsouvaly myšlenku na vliv ultrafialového záření. Při pohledu na obr. 1 je zřejmé, že k poškození v roce 1997 došlo vždy v období, kdy celkové množství ozónu vykazovalo výraznou zápornou odchylku (počátek května, polovina června ). Vlivem snížené úrovně ozónu začátkem května, kdy se rostliny nacházely ve fázi 1.-2. páru pravých listů, mohlo dojít k určitému poškození mladých pletiv, které se postupně během dalšího růstu projevilo přítomností puchýřkovitých skvrn na nejstarších listech.

Ve 2. polovině června v době intenzivního růstu, kdy byla zaznamenána další výrazná záporná odchylka ozónu od normálu při maximálních hodnotách globálního záření došlo k dalšímu poškození pletiv již narušených extrémními podmínkami počátkem května. Pro detailnější analýzu jsme ještě použili i údajů o globálním záření, měřeném na meteorologické stanici v Kujavách.

Z obr. 3 a 4 je zřejmé, že dny s minimálním množstvím ozónu kolidovaly s jasnými dny, v nichž množství globálního záření dosahovalo maxima. Jednoznačně lze proto usuzovat, že pozorované poškození rostlin bylo způsobeno relativně novým abiotickým faktorem, kterým je ultrafialové záření. Při analýze poškození z let 1995 a 1996 bylo zjištěno, že k němu došlo za podobných situací, jako v roce 1997.

Rovněž se objevily náznaky, uváděné rovněž i jinými autory, že poškození je daleko patrnější v období s dostatkem vláhy, kdy nedochází k omezení růstu plodin. Jak již bylo konstatováno výše, míra poškození rostlin UVB zářením závisí na mnoha okolnostech, mezi něž bezesporu patří i jejich kondiční stav.

Při rozboru rozsahu poškození v roce 1997 se ukázalo, že porosty ošetřené herbicidy v období s nízkými koncentracemi ozónu jsou poškozeny více, než porosty neošetřené. Souvisí to pravděpodobně s tím, že u rostlin dochází ke kumulaci stresových faktorů.

Látky CFC, do přijetí Montrealského protokolu nekontrolovatelně vypouštěné do atmosféry, mají poměrně dlouhou dobu životnosti v atmosféře, (např. CFC-11 75 let, ale CFC-115 již 380 let) takže lze předpokládat, že se s tímto jevem budeme setkávat ještě nějakou dobu. Chemické procesy, probíhající za nízkých teplot ve stratosféře, jsou doposud poměrně málo prozkoumány, takže i úvahy o dalším vývoji ozónové vrstvy se liší podle jednotlivých odborníků. Každý rok přináší nová překvapení a lze očekávat, že ještě několik let bude vývoj směřovat spíše k horšímu než lepšímu.

Narušení povrchových rostlinných pletiv UVB zářením vytváří vstupní bránu pro další infekční choroby, což může vést k jejich epidemickému výskytu. Naopak zvýšená produkce flavonidů působí antisepticky.

Oxidy dusíku jako významný faktor

Skupina těchto látek zahrnuje širokou škálu oxidů dusíku, ve směsích se označují jako NOx. NO se při styku oxiduje na NO2. Mezi nejčastěji se vyskytující patří: oxid dusnatý (NO, bezbarvý plyn bez zápachu) a oxid dusičitý (NO2, červenohnědý plyn štiplavého zápachu). Dále do této skupiny patří oxid dusitý (N2O3), tetraoxid dusíku (N2O4) a oxid dusičný (N2O5). Další oxidy dusíku se vyskytují v menších množstvích a nepředstavují významné riziko.

Oxid dusičitý je využíván jako meziprodukt ve výrobě kyseliny dusičné (HNO3). Oxid dusičitý je také používán v mnohých průmyslových procesech jako silné oxidační činidlo. Vzhledem k jeho oxidačním vlastnostem může být použit i v raketových palivech.

Emise oxidů dusíku jsou dnes velmi závažným problémem hlavě díky tomu, že jsou spojeny se spalováním i ušlechtilých paliv (plyn, nafta) a biomasy. Emise oxidů dusíku mají navíc v dnešní době rostoucí charakter. Primárním zdrojem (vytvářejícím až 55 % antropogenních NOx) jsou i přes využívání katalyzátorů motorová vozidla. Při spalování ušlechtilých paliv v motorových vozidlech je dosahováno vysoké teploty hoření, a proto zde dochází k oxidaci vzdušného dusíku (N2) na takzvané vysokoteplotní NOx.

Mezi další možné antropogenní zdroje úniků oxidů dusíku je nutné zařadit veškeré chemické procesy, kde jsou tyto oxidy přítomny a kde může k jejich úniku dojít, například výroba kyseliny dusičné. Takové výroby jsou však dnes vybaveny účinným zařízením na odstranění oxidů dusíku z odpadních plynů.

Oxidy dusíku ve spalinách je nutno odstraňovat buď selektivní nekatalytickou redukcí s močovinou či amoniakem nebo pomocí selektivní katalytické redukce s amoniakem. Oběma metodami se NOX mění pomocí uvedeného redukčního činidla na elementární dusík a vodu. Nejnověji se pro odstranění NOx začínají uplatňovat kombinované tkaninové filtry, které mají na vnitřní straně filtrační tkaniny nanesenou katalytickou vrstvu.

Situaci emisí z antropogenních zdrojů ukazuje následující obrázek.

Dále lze zmínit i zdroje přírodní jako jsou například biologické procesy v půdách, kde mikroorganismy v rámci svého životního cyklu produkují oxid dusný (N2O) a dusík (N2). Dusík jako takový je biogenní prvek, to znamená, že je v přiměřeném množství nezbytný pro růst rostlin. Je běžnou praxí, že je dodáván do půdy ve formě různých hnojiv pro podporu růstu plodin.

Na druhou stranu ale oxidy dusíku jako NO a NO2 ve vyšších koncentracích rostliny poškozují a mohou způsobit jejich větší náchylnost k negativním vlivům okolí jako je mráz či plísně. Oxid dusičitý je společně s oxidy síry součástí takzvaných kyselých dešťů, které mají negativní vliv například na vegetaci a stavby a dále okyselují vodní plochy a toky. Nižší hodnoty pH ovlivňují výskyt ryb nejenom přímo ale přispívají rovněž k uvolňování toxických kovů (např. ze sedimentů), jako je Al, Cd, Hg a tím se tento problém zvyšuje.

Oxidy dusíku v ovzduší postupně přecházejí na kyselinu dusičnou, která reaguje s prachovými částicemi a například s oxidy hořčíku a vápníku či s amoniakem za vzniku tuhých částic, které jsou z atmosféry odstraňovány jednak sedimentací a jednak vymýváním srážkovou činností. Je třeba zdůraznit, že množství dusíku, které se atmosférickou depozicí dostává do půd, již není zanedbatelné ve srovnání s množstvím pocházejícím z průmyslových hnojiv.

Dusičnanové ionty, které jsou potom v zeminách a vodách přítomny, sice působí příznivě na růst rostlin, avšak při vyšších koncentracích může docházet i k úhynu ryb a nežádoucímu nárůstu vodních rostlin (tzv. eutrofizace vod).

Oxid dusičitý (NO2) společně s kyslíkem a těkavými organickými látkami (VOC) přispívá k tvorbě přízemního ozonu a vzniku tzv. fotochemického smogu. Vysoké koncentrace přízemního ozonu poškozují živé rostliny včetně mnohých zemědělských plodin.

Oxid dusnatý (NO) je také jedním ze skleníkových plynů. Kumuluje se v atmosféře a společně s ostatními skleníkovými plyny absorbuje infračervené záření zemského povrchu, které by jinak uniklo do vesmírného prostoru, a přispívá tak ke vzniku tzv. skleníkového efektu a následně ke globálnímu oteplování planety.

Jelikož atmosférická depozice je zdrojem dusíku i pro povrchové vody, je nutné o oxidech dusíku uvažovat i jako o látkách, které se mohou přeneseně promítnout do parametru „celkový dusík“, který má vliv zejména na vznik tzv.

Oxidy dusíku mohou negativně působit na zdraví člověka především ve vyšších koncentracích, které se ovšem běžně v ovzduší nevyskytují. Vdechování vysokých koncentrací, nebo dokonce čistých plynů, ovšem vede k závažným zdravotním potížím a může způsobit i smrt. Předpokládá se, že se oxidy dusíku váží na krevní barvivo a zhoršují tak přenos kyslíku z plic do tkání.

Některé náznaky ukazují, že oxidy dusíku mají určitou roli i při vzniku nádorových onemocnění. Vdechování vyšších koncentrací oxidů dusíku dráždí dýchací cesty, např. při koncentracích 100 - 150 ppm (200 - 300 mg/m3) po dobu 30 - 60 minut je nebezpečný pro zdraví. Při otravách NOx je nebezpečná dlouhodobá latentní perioda (5-70 hodin), kdy se projeví první příznaky otravy bolesti hlavy, poklesem krevního tlaku, methemoglobinemii (hemoglobin se mění na oxidovaný methemoglobin a způsobuje cyanosu).

Chronické otravy mají za následek zvětšení počtu červených krvinek a zvýšenou kazivost zubů. Vysoké koncentrace oxidů dusíku působí negativně na rostliny. Oxidy dusíku společně s oxidy síry tvoří kyselé deště, které poškozují živé rostliny a půdu. Vdechování vysokých koncentrací oxidů dusíku může vážně ohrozit zdraví člověka. Varováním při úniku oxidu dusičitého je jeho červenohnědá barva a štiplavý zápach. Při prvním zpozorování těchto jevů je nutné zamezit dalšímu vdechování a úniku těchto látek.

Měření a stanovení emisí oxidů dusíku

Emise oxidů dusíku lze stanovit nejlépe analýzou odpadních plynů a následně výpočtem ze zjištěné koncentrace a objemu vypuštěného plynu. Oxidy dusíku je možné stanovit několika analytickými metodami:

• Používá se fotometrické stanovení oxidů dusíku po jejich převedení na NO2 nebo dusičnany ve vhodném absorpčním roztoku. Další možností je coulometrická metoda.
• Pomocí instrumentálních on-line metod mobilních přístrojů. Pro instrumentální stanovení jsou nejčastěji využívána zařízení založená na stanovení obsahu oxidů dusíku pomocí chemiluminiscence.

Emise oxidů dusíku ze spalování vznikají ze tří hlavních důvodů a dle nich se nazývají palivové, vysokoteplotní a promptní.

• Palivové NOx: hlavním zdrojem těchto oxidů dusíku jsou paliva obsahující dusíkaté látky. Tento dusík je pak během hoření oxidován na oxidy dusíku a odchází společně s dalšími produkty hoření do ovzduší. Tento druh oxidů dusíku může tvořit až 50 % z celkové produkce oxidů dusíku při spalování olejů (LTO) a až 80 % při spalování uhlí. Emise lze snížit či vyloučit používáním bezdusíkatých paliv.
• Termické NOx: vznikají z molekul N2 obsažených ve vzduchu, který se účastní spalování. Vlivem vysoké teploty je tento atmosférický dusík rozštěpen a s přítomnými atomy kyslíku vznikají oxidy dusíku. Jejich množství je závislé na teplotě spalování a na době zdržení ve spalovacím prostoru. Emise proto lze snížit vhodným uspořádáním spalování.
• Promptní NOx: vznikají tak, že molekulární dusík je přeměňován přes meziprodukty na NO na rozhraní plamene radikálovými reakcemi za přítomnosti uhlovodíků. Emise lze snížit obtížně, avšak jejich podíl je obvykle malý.

Běžnou koncentrační situaci oxidu dusičitého nad Evropou ukazuje obrázek 2. Z obrázku je zřejmá souvislost emisí oxidů dusíku se silniční dopravou a průmyslovou činností, zejména energetikou.

Snižování emisí NOx

Snižování emisí NOx úpravou spalovacího procesu (t.zv. primární opatření) spočívá ve snížení množství spalovacího vzduchu se dosáhne snížení teploty plamene. Jedná se o nenáročný zásah nevyžadující žádné úpravy na zařízení. Lze jej použít u elektrárenských kotlů, které mají spalovací poměr optimalizován. Nevýhodou je nedopalem a snížení tepelné účinnosti, ztráty nedopalem, problémy s hořením.

Další možností je spalování ve dvou úrovních, kdy se v první fázi spalování spálí v relativním přebytku vzduchu. Jedná se o poměrně jednoduchý zásah na stávajících zařízeních. Výhodou je jednak snížení teploty a NOx je poměrně účinný a lze takto dosáhnout až 50% snížení. Nevýhodou je nutnost regulace proudu sekundárního vzduchu.

Procesy denitrifikace spalin konkurují reakci, která probíhá při teplotách zpravidla nad 300°C (80 - 450) na katalyzátoru z ušlechtilých materiálech. Životnost katalyzátoru se udává pro plyn 6 - 7 let, nejkratší (3 roky) pro uhlí. Vysoké teploty nad 1000°C způsobují ztráty NH3 a zvýšení obsahu NOx. Optimální teplota je až 1000°C za přítomnosti čpavku při 700°C. Čpavek je vstřikován v několika úrovních do stěny kotle. Při nedodržení rozdělení teplot dochází i k poklesu účinnosti reakce.

Koncentrace NH3 jsou podstatně vyšší než u SKR (řádově desítky mg/m3). Princip je analogický odsíření spalin metodou Bergbau-Forschung, kdy dochází k odsíření a denitrifikace spalin. Aktivní uhlík se reaktivuje parou při 900°C), alternativně z hnědého rýnského uhlí. Metoda je sice účinnější než SKR, ale je nutné brát v úvahu rozdílný charakter obou oxidů. Zatímco NO se chová jako inert, t.j. přecházet do roztoku, NO2 je reaktivní a ve vodě dobře rozpustný.

Katalyzátory a filtry

Výfukové systémy s katalyzátory se používají pro snížení emisí CO a uhlovodíků. V praxi se lze setkat i s t.zv. neřízeným katalyzátorem, t.j. katalyzátorem, používaným bez n-sondy. V tomto případě není nutné ji provádět.

V poslední době uplatnění filtrační systémy, jejichž vývoj probíhá již od 70. let. Jedná se o filtry z ovinutých keramickými vlákny.

tags: #redukce #ozonu #v #ovzdusi #priciny #dusledky

Oblíbené příspěvky:

• Více o kráse přírody
• Správná péče o myčku nádobí
• Destrukce a konstrukce pomocí výbušnin
• Tradice v České republice
• Kontejnery na odpad v Havlíčkově Brodě