Atmosférický ozon a přírodní prostředí v souvislostech

Ozon na jedné straně chrání život na Zemi před zhoubným, biologicky aktivním ultrafialovým zářením, na druhé straně vykazuje známky toxicity vůči organické hmotě. Chemické a dynamické mechanismy určují koncentraci ozonu, zároveň způsobují jeho značnou variabilitu v čase a prostoru. V závislosti na hladině v atmosféře, ve které se ozon nachází, se mění jeho množství, chemismus, význam a vztah k ostatním složkám přírodního prostředí. Cílem příspěvku je diskutovat o zmíněných faktech a širších souvislostech mezi ozonem, dalšími složkami atmosféry a přírodním prostředím.

Ačkoliv se ozon v zemské atmosféře vyskytuje pouze ve stopovém množství, vděčíme mu za obyvatelnost planety Země. Jeho životodárná role spočívá v absorpci nebezpečného ultrafialového záření, zejména UV-B. Distribuce ozonu v atmosféře je značně nerovnoměrná v prostoru - jak v horizontálním tak vertikálním směru - i čase. Ozon se v různých vrstvách atmosféry vyznačuje odlišným chemismem, podléhá různým fyzikálním procesům, plní různou funkci a má diametrálně odlišný význam ve vztahu k biosféře. Intenzivní výzkum ozonu v posledních desetiletích je podmíněn zápornými trendy stratosférického ozonu (tzv. ozonosféry) a růstu koncentrace přízemního ozonu v troposféře. Oba procesy mají negativní dopad na stav přírodního prostředí a přímo i nepřímo ovlivňují biosféru, včetně lidské populace. I když, jak si ukážeme, nic není černobílé.

Celkové množství ozonu ve vertikálním sloupci atmosféry - tzv. celkový ozon, vyjádřený v dobsonových jednotkách (D.U.) - je hodnota charakterizující úroveň ozonu v atmosféře. Protože se koncentrace ozonu rychle mění s výškou, detailnější informace o rozložení ozonu získáme z vertikálního profilu koncentrace. Nejvyšší koncentrace dosahuje ozon ve stratosféře v oblasti zvané ozonosféra, výrazně méně ozonu se vyskytuje v troposféře. V blízkosti zemského povrchu dochází k mírnému, ale významnému zvýšení koncentrace ozonu - hovoříme o tzv. přízemním ozonu. Přízemní ozon, na rozdíl od ozonu ve vyšších hladinách atmosféry, pokládáme za atmosférický polutant.

Nejpříznivější podmínky pro tvorbu ozonu panují v tropické stratosféře, ve výškách okolo 35 - 45 km. Odtud je většina ozonu transportována meridionálními složkami proudění do vyšších zeměpisných šířek a vertikálními pohyby do nižších hladin atmosféry. Z tohoto důvodu vykazují průměrné hodnoty celkového ozonu značnou závislost na zeměpisné šířce. Na základě dlouhodobých měření můžeme konstatovat, že nejnižší hodnoty celkového ozonu se nacházejí v tropických oblastech. Směrem k pólům rostou hodnoty celkového ozonu, maxima dosahují ve vyšších středních zeměpisných šířkách (60 - 70°) a dále k pólům opět klesají. A tak paradoxně, v tropických oblastech, v místech kde se ozon formuje nejintenzivněji, registrujeme v průměru nejnižší hodnoty celkového ozonu (nebereme-li v úvahu ozonové anomálie polárních oblastí). Zatímco hodnoty celkového ozonu v tropických oblastech nevykazují výraznější variabilitu v průběhu roku, ve středních a vyšších zeměpisných šířkách způsobují změny v intenzitě atmosférického proudění typický roční chod s maximem v jarním období a minimem na podzim.

Vedle nerovnoměrné horizontální distribuce pozorujeme rovněž krajně nerovnoměrné vertikální rozložení ozonu v atmosféře. Téměř 90% veškerého ozonu se koncentruje ve stratosféře, zatímco pouhých cca 10% připadá na troposféru. Význam stratosférického ozonu spočívá v účinné absorpci ultrafialového záření, zejména jeho biologický aktivní složky (UV-B). Ačkoliv UV-B složka (280-315 nm) představuje z energetického hlediska jen malou část celkového slunečního záření, obsahuje velmi aktivní fotony, které zasahují biosféru. Vedle pozitivních dopadů (tvorba vitamínu D) vyvolávají nadměrné dávky záření krátkých vlnových délek řadu nežádoucích reakcí v podobě nadměrného opálení kůže, výskytu erytému, stárnutí kůže, poškození zraku a v konečné fázi i vznik rakoviny kůže. Nenávratně poškozuje buněčné struktury rostlinných i živočišných tkání. Zvýšené koncentrace ozonu ve stratosféře mají tedy pro život na Zeni pozitivní význam, neboť zabraňují v pronikání nebezpečného záření do troposféry a k zemskému povrchu. Ozon v mezní vrstvě atmosféry, se kterým přicházíme do styku přímou cestou, nás ovlivňuje zcela odlišně. Pokládáme ho za silné oxidační činidlo, tudíž se z fyziologického hlediska jedná o jedovatý plyn. Vyvolává řadu nežádoucích reakcí. Při vdechnutí dochází k poruchám respirace, krvácení z nosu, vzniku bronchitidy a plicního edému. Snižuje výnosy z úrody, poškozuje materiály. A tak paradoxně, zatímco stratosférický ozon má pozitivní význam pro život v podobě absorpce UV-B záření, přízemní ozon má coby atmosférický polutant význam negativní. V populárně-naučné literatuře se stratosférický ozon často označuje jako "dobrý", kdežto troposférický ozon jako "špatný". Nutno dodat, že rovněž troposférický ozon absorbuje UV-B záření, vzhledem k jeho absolutnímu množství však jen v nepatrné míře.

Formování ozonu v atmosféře probíhá podle reakce, pro kterou je v horní stratosféře limitujícím faktorem nedostatek molekulárního kyslíku. Ten totiž v těchto výškách přednostně podléhá fotodisociaci, vyvolané absorpcí kvant slunečního záření o velmi krátkých vlnových délkách v oblasti UV-C (je menší než 242 nm). Produktem fotodisociace je atomární kyslík, následně vstupující do reakce. Záření o vlnových délkách potřebných k fotodisociaci molekulárního kyslíku neproniká do nižších hladin atmosféry, neboť je zcela spotřebováváno ve stratosféře.

Zákonitě tedy musí v troposféře existovat jiný mechanismus produkce atomárního kyslíku. Děje se tak prostřednictvím fotodisociace oxidu dusičitého, kterou iniciuje záření větších vlnových délek v celé UV oblasti (je menší než 400 nm). A tak paradoxně, ač se ozon v atmosféře formuje podle jednotné reakce, předcházejí tomuto kroku odlišné procesy ve stratosféře a troposféře - hovoříme o tzv. stratosférickém a troposférickém chemismu. Ozon se v atmosféře trvale neakumuluje, neboť podléhá cyklickým procesům produkce a destrukce. Tím dochází k nastolení velmi citlivé rovnováhy, určující výslednou koncentraci ozonu.

Ozon je rovněž významným skleníkovým plynem. Změny v množství ozonu, oxidu uhličitého, metanu, oxidu dusného, uhlovodíků a některých dalších látek - obecně skleníkových plynů - vedou k narušení radiačních toků a radiační bilance atmosféry a zemského povrchu. Radiační účinek plynu nezávisí pouze na jeho koncentraci v atmosféře, ale také na účinnosti pohlcovat a zpětně vyzařovat dlouhovlnné tepelné záření a na době setrvání v atmosféře. Absorpční pásma ozonu se nacházejí v oblasti známé jako atmosférické okno, kde ostatní plyny pohlcují záření jen nepatrně a většina záření tak proniká do prostoru. V porovnání s ostatními plyny je doba setrvání ozonu v atmosféře poměrně krátká, v řádu dnů, týdnů až měsíců. Radiační efektivita ozonu silně závisí na výšce, ve které dochází ke změnám koncentrace, zároveň je ale prostorově značně proměnlivá. Změny radiační bilance atmosféry pod vlivem skleníkových plynů označujeme jako "radiační poruchy", které mohou nabývat kladných (oteplující účinek) nebo záporných hodnot (ochlazující účinek). Pomocí modelových výpočtů byly odhadnuty průměrné hodnoty radiačního účinku jednotlivých plynů v letech 1750 - 2000. V případě troposférického ozonu byl kladný radiační účinek odhadnut na 0,35 - 0,20 W.m-2, čímž se zařadil - nepočítáme-li vodní páru - na třetí místo (!) za CO2 (1,46 W.m-2) a CH4 (0,48 W.m-2). Radiační účinek způsobený úbytkem ozonu ve stratosféře nelze hodnotit globálně, neboť koncentrace ozonu a míra jeho destrukce je regionálně velmi proměnlivá. V tropických oblastech nedochází k výrazným změnám v množství ozonu, tudíž se nemění ani jeho radiační účinek. Ve středních a především ve vysokých zeměpisných šířkách je záporný radiační účinek způsobený úbytkem ozonu kompenzován skleníkovými plyny (CFC), které jsou zodpovědné za jeho destrukci. Záporný radiační účinek způsobený rozkladem ozonu ve stratosféře se odhaduje na -0,15 - 0,10 W.m-2. A tak naše snaha o obnovení ozonové vrstvy coby filtru před nebezpečným ultrafialovým zářením paradoxně vede k zesílení skleníkového efektu. Nutno podotknout, že k zesílení "přirozeného skleníkového efektu". Alarmující je nárůst koncentrace troposférického a především přízemního ozonu v průběhu 20. století, který významnou měrou přispívá ke "zvýšenému skleníkovému efektu", úzce souvisejícímu s tolik diskutovaným globálním oteplováním. Proto zdůrazněme, že snaha o obnova ozonosféry v původním rozsahu je správným a žádoucím krokem.

Jedním z očekávaných důsledků redukce stratosférického ozonu je nárůst intenzity ultrafialového záření (složky UV-B) v troposféře a při zemském povrchu. Pozemní měření však ukazují, že tomu tak není na všech lokalitách. Rozhodující faktor představuje míra znečištění ovzduší. Zatímco v periferních oblastech a vyšších nadmořských výškách (v tzv. "čisté" atmosféře) byl registrován významný nárůst intenzity UV-B záření, ve zdrojových oblastech emisí (tzv. "znečištěná" atmosféra) nárůst pozorován nebyl. Ukazuje se, že atmosférické aerosoly mají schopnost redukovat intenzitu UV-B záření až o třetinu, přičemž záleží na jejich absolutním množství, velikosti a složení. Silné absorpční schopnosti mají především oxid uhelnatý (CO) a prašný aerosol (PM10), které přispívají k redukci UV záření více než samotný troposférický ozon. A tak paradoxně, emise některých antropogenních látek na jedné straně přispívají k destrukci ozonové vrstvy a nepřímo tak k růstu intenzity UV-B záření, na druhé straně v troposféře svými absorpčními schopnostmi intenzitu záření snižují.

Další paradox spočívá ve vztahu UV-B záření k troposférickému ozonu. Působením záření o vlnových délkách kratších než 315 nm dochází k fotolýze ozonu za vzniku molekulárního a atomárního kyslíku, který následnou reakcí s vodní parou přechází v hydroxylový radikál. Hydroxylový radikál je základní reaktivní látkou troposféry s velmi krátkou dobou zdržení. Prakticky ihned po zformování se zapojuje do dalších reakcí se stopovými prvky atmosféry a stává se tak klíčovou látkou podílející se na odbourávání organických látek, metanu, oxidu uhelnatého, oxidů dusíku a dalších látek přímou i nepřímou cestou. Limitujícími faktory vzniku OH jsou koncentrace ozonu a vodní páry - proto se vyšší koncentrace OH vyskytují v městském ovzduší. A tak paradoxně, vyšší koncentrace troposférického (přízemního) ozonu a intenzivnější UV-B záření (důsledek redukce stratosférického ozonu) vedou k efektivnějšímu odbourávání stopových příměsí ve znečištěné atmosféře - dochází k podpoře samočisticích schopností atmosféry. Procesy odbourávání organických látek a oxidu uhelnatého prostřednictvím OH, probíhající podle složitějších reakčních schémat, vedou v konečném důsledku k růstu koncentrací troposférického ozonu. Produkty oxidace totiž narušují rovnováhu mezi produkcí a destrukcí ozonu a to tím způsobem, že na místo molekul ozonu zajišťují oxidaci oxidu dusného na oxid dusičitý. Ozon se tudíž nespotřebovává na oxidaci, ale akumuluje se v atmosféře. A tak paradoxně, vyšší intenzita UV-B záření (důsledek redukce stratosférického ozonu) přispívá k vyšším koncentracím troposférického ozonu. Až do nedávna, do poloviny 90. let, se dalo hovořit o paradoxu v souvislosti s pozorovanými trendy - dlouhodobé ubývání stratosférického ozonu a růst koncentrací přízemního ozonu. V poslední dekádě však registrujeme významné změny v trendech. Navzdory silné meziroční variabilitě, způsobené především meteorologickými podmínkami, můžeme konstatovat, že množství stratosférického i troposférického (přízemního) ozonu se stabilizovalo. Trendy přízemního ozonu rovněž závisí na typu prostředí (zdrojové oblasti prekurzorů a periferní oblasti) a roční době (růst koncentrací v zimních měsících, pokles maximálních koncentrací v letních měsících).

LITERATURA:
Barnard W.F., Saxena V.K., Wenny B.N., DeLuisi J.J.: Daily surface UV exposure and its relationship to surface pollutant measurments. J. Air; Waste Manage. Assoc. 53: 237-245, 2003.
Bednář J.: Meteorologie. Úvod do studia dějů v zemské atmosféře. Portál, Praha, 2003.
Fiala J., Závodský D.: Kompendium ochrany kvality ovzduší, část 2: Chemické aspekty znečištěného ovzduší - troposférický ozon. Příloha časopisu Ochrana ovzduší, Praha, květen 2003.
Holoubek, I.: Troposférická chemie. Masarykova Univerzita, Brno, 2005.
Houghton, J.: Globální oteplování. Academia, Praha, 1998.
Kalvová, J.: Klima a jeho změny. In: Kolektiv autorů: Aktuální otázky znečištění ovzduší. UK Praha, 2004, 176-204.
Kylling A., Bais A.F., Blumthaler M., Schreder J., Zeferos C.S, and Kosmidis E.: Effect of aerosols on solar UV irradiances during the Photochemical Activity and Solar Ultraviolet Radiation campaign. Journal of Geophysical Research, 103, D20, 26051-26060, 1998.
Lippert, E.: Ozonová vrstva Země. Vesmír a MŽP ČR, Praha, 1995.
Tang X., Madronich S., Wallington T., Calamari D.: Changes in tropospheric composition and air quality. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 46, 83-95, 1998.

Tomáš Balcar - Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Praha 4
balcar@ufa.cas.cz