ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑΣ ΟΖΟΝΤΟΣ I ΦΥΣΙΚΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑΣ ΟΖΟΝΤΟΣ I

Το όζον σχηματίζεται στην ατμόσφαιρα μέσω χημικών διεργασιών που περιλαμβάνουν διάφορα επί μέρους στάδια και απαιτείται η ύπαρξη ηλιακού φωτός. Στην στρατόσφαιρα, η διαδικασία ξεκινά με το σπάσιμο ενός μορίου οξυγόνου από την ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία. Στην κατώτερη ατμόσφαιρα (τροπόσφαιρα) το όζον σχηματίζεται από διαφορετικές ομάδες χημικών αντιδράσεων οι οποίες περιλαμβάνουν τόσο φυσικής προέλευσης αέρια όσο και αέριους ρύπους.

Figure Q1-2 Το όζον στην ατμόσφαιρα. Το όζον είναι ένα φυσικό συστατικό της ατμόσφαιρας. Ένα μόριο όζοντος αποτελείται από τρία άτομα οξυγόνου και ο μοριακός του τύπος είναι Ο3. Βρίσκεται κυρίως σε δύο περιοχές της ατμόσφαιρας. Το 10% της συνολικής ποσότητας του όζοντος βρίσκεται στην τροπόσφαιρα ενώ το υπόλοιπο 90% στη στρατόσφαιρα. Η μεγαλύτερή ποσότητά του βρίσκεται συγκεντρωμένη στην περιοχή των 20-25km όπου και σχηματίζεται το «στρώμα του όζοντος». Figure Q1-2 Το όζον στην ατμόσφαιρα. Το όζον συναντάται τόσο στην τροπόσφαιρα όσο και στην στρατόσφαιρα. Στο προφιλ του διαγράμματος παρουσιάζεται η «μέση» κατανομή καθ’ ύψος του όζοντος στην περιοχή των τροπικών. Η σημαντικότερη ποσότητα όζοντος βρίσκεται στην στρατόσφαιρα, στο «στρώμα του όζοντος». Το «πάχος» αυτού του στρώματος διαφέρει από περιοχή σε περιοχή ενώ εξαρτάται επίσης από την εποχή. Η αύξηση του όζοντος κοντά στην επιφάνεια της Γης είναι αποτέλεσμα ανθρωπογενούς ρύπανσης.

Στη στρατόσφαιρα κοντά στην περιοχή όπου εμφανίζεται το μέγιστο της ποσότητας του όζοντος υπάρχουν περίπου 12000 μόρια όζοντος για κάθε δισεκατομμύριο μορίων αέρα. Στην τροπόσφαιρα και κοντά στην επιφάνεια της γης, υπάρχουν από 20 έως 100 περίπου μόρια όζοντος για κάθε δισεκατομμύριο μορίων αέρα. Αν μεταφέραμε όλη την ποσότητα όζοντος της ατμόσφαιρας κοντά στην επιφάνεια της γης και τα διανείμαμε ομοιότροπα σε όλη τη γη θα σχηματιζόταν ένα στρώμα καθαρού όζοντος πάχους μικρότερου του μισού εκατοστού. 1 DU = 2.687×1020 μόρια/ τετρ. μέτρο

Το όζον της στρατόσφαιρας απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της βιολογικά επικίνδυνης ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας. Εξαιτίας αυτού του ρόλου του συχνά το όζον της στρατόσφαιρας αποκαλείται και «καλό» όζον. Σε αντίθεση, το όζον που σχηματίζεται κοντά στην επιφάνεια της γης θεωρείται ως «κακό» επειδή είναι βλαβερό για τους ανθρώπους, τα φυτά και τα ζώα. Ταυτόχρονα όμως το όζον της τροπόσφαιρας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο σε χημικές διεργασίες απομάκρυνσης ρύπων από την ατμόσφαιρα. Figure Q3-1. Στρλωμα του όζοντος και προστασία από τη UV ακτινοβολία. Το στρώμα του όζοντος που βρίσκεται στην στρατόσφαιρα περιβάλλει τον πλανήτη. Η UV-B ακτινοβολία (280 - 315 nm μήκος κύματος) απορροφάται έντονα στο στρώμα αυτό με αποτέλεσμα το συνολικό ποσό αυτής της ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια να είναι πολύ περιορισμένο. Η UV-A (315 - 400-nm μ.κ.), το ορατό φως και άλλες η/μ ακτινοβολίες που προέρχονται από τον Ήλιο δεν επηρεάζονται ουσιαστικά από το στρώμα του όζοντος. Η έκθεση του ανθρώπου στην UV-B αυξάνει τον κίνδυνο καρκίνου του δέρματος, καταρράκτη και καταστέλλει το ανοσοποιητικό σύστημα. Η έκθεση στην UV-B είναι επίσης βλαπτική για τα φυτά, τους μονοκύτταρους οργανισμούς και τα υδρόβια οικοσυστήματα.

Η κατανομή του όζοντος πάνω από τη γη διαφοροποιείται από τόπο σε τόπο σε χρονικές κλίμακες που κυμαίνονται από ημερήσιες έως εποχιακές. Οι μεταβολές αυτές προκαλούνται τόσο από κινήσεις στρατοσφαιρικών αερίων μαζών όσο και εξαιτίας των μηχανισμών σχηματισμού και καταστροφής του. Γενικά, η συνολική «συγκέντρωση» όζοντος είναι μικρότερη στον Ισημερινό και μεγαλύτερη στις πολικές περιοχές. Figure Q4-1. Ολικό όζον. Ως ολικό όζον ορίζεται το σύνολο των μορίων του όζοντος που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα πάνω ακριβώς από μια περιοχή. Το ολικό όζον μεταβάλλεται κατά γεωγ. πλάτος, γεωγ. μήκος και εποχή με τις μέγιστες τιμές να συναντώνται στα μεγάλα γεωγ. πλάτη και οι ελάχιστες στους τροπικούς. Στο σχήμα παρουσιάζονται οι μέσες τιμές ολικού όζοντος δύο εβδομάδων, για κάθε περίπτωση, σύμφωνα με τις μετρήσεις ενός δορυφορικού οργάνου για το έτος 2009. Το ολικό όζον στην περιοχή των τροπικών (20°N–20°S γεωγ. πλ.) παρατηρείται πως παρουσιάζει πολύ μικρή μεταβλητότητα καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Έξω από τους τροπικούς οι χρονικές μεταβολές του ολικού όζοντος είναι πολύ μεγαλύτερες σε ένα εύρος χρονικών κλιμάκων από ημερήσιες έως εποχιακές καθώς πλούσιος σε όζον αέρας μετακινείται από τους τροπικούς και συγκεντρώνεται σε μεγαλύτερα γεωγ. πλάτη. Οι χαμηλές τιμές ολικού όζοντος πάνω από την Ανταρκτική συνθέτουν το φαινόμενο ης «τρύπας του όζοντος». Από τη δεκαετία του 1980, η τρύπα του όζοντος στο τελείωμα του χειμώνα και αρχές της άνοιξης παρουσιάζει τις χαμηλότερες τιμές ολικού όζοντος παγκοσμίως.

Figure Q5-1. Μετρήσεις όζοντος. Το όζον της ατμόσφαιρας μετράται τόσο μέσω επίγειων οργάνων όσο και μέσω οργάνων που μεταφέρονται σε μπαλόνια, αεροσκάφη αλλά και δορυφόρους. Κάποια όργανα μετράνε το όζον επί τόπου μέσω της συλλογής δειγμάτων αέρα. Υπάρχουν ωστόσο άλλα όργανα τα οποία εκτιμάνε το όζον εξ’ αποστάσεως, στηριζόμενα σε συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που εμφανίζει η αλληλεπίδραση του όζοντος με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Figure Q5-1. Μετρήσεις όζοντος. Το όζον της ατμόσφαιρας μετράται με επίγεια όργανα, με όργανα σε αεροσκάφη, με όργανα σε μπαλόνια μεγάλου υψομέτρου και με δορυφορικά όργανα. Κάποια όργανα μετράνε το όζον επιτόπια σε δείγματα αέρα που λαμβάνουν ενώ άλλα εκτελούν μετρήσεις εξ’ αποστάσεως. Τα όργανα αυτά χρησιμοποιούν ποικιλία τεχνικών όπως οπτικές τεχνικές όπου χρησιμοποιούνται ως πηγές φωτός ο Ήλιος ή κάποια πηγή λέιζερ· απεικόνιση θερμικών εκπομπών του όζοντος ή μέσω χαρακτηριστικών χημικών αντιδράσεων που προκαλεί μόνο το όζον. Παγκοσμίως υπάρχουν πολλοί σταθμοί που εκτελούν συστηματικές μετρήσεις όζοντος με στόχο την παρακολούθησή του και τη μελέτη των μεταβολών του.

Μετρήσεις ατμοσφαιρικού όζοντος με το φασματοφωτόμετρο Dobson Τα μετρούμενα ζεύγη μηκών κύματος είναι: λ (nm) λ' (nm) Α 305.0 325.0 B 308.9 329.1 C 311.5 332.4 D 317.5 339.9 Οι μετρήσεις του ολικού όζοντος πραγματοποιούνται μέσω των μετρήσεων των σχετικών εντάσεων επιλεγμένων ζευγών μηκών κύματος στο υπεριώδες φάσμα. Για κάθε ζεύγος μηκών κύματος, το ατμοσφαιρικό όζον απορροφά έντονα την εισερχόμενη ακτινοβολία στο ένα μήκος κύματος ενώ αφήνει ανεπηρέαστη την εισερχόμενη ακτινοβολία στο άλλο μήκος κύματος. Η σχετική ένταση της ακτινοβολίας στα δύο μήκη κύματος (η οποία είναι σταθερή στο όριο της ατμόσφαιρας) μεταβάλλεται καθώς η εισερχόμενη ακτινοβολία διέρχεται μέσα από την ατμόσφαιρα. Η ένταση της ακτινοβολίας μειώνεται και στα δύο μήκη κύματος λόγω της μοριακής απορρόφησης, της μοριακής σκέδασης και της σκέδασης από τα αιωρούμενα σωματίδια. Καθώς η μοριακή σκέδαση και η σκέδαση από τα αιωρούμενα σωματίδια είναι κοινές και για τα δύο μήκη κύματος της εισερχόμενης ακτινοβολίας, η μεταβολή των σχετικών εντάσεων οφείλεται κυρίως στην απορρόφηση της ακτινοβολίας στο ένα μήκος κύματος από το ατμοσφαιρικό όζον. Συνεπώς, η μεταβολή των σχετικών εντάσεων της εισερχόμενης ακτινοβολίας εξαρτάται από τη συνολική ποσότητα του όζοντος στην ατμόσφαιρα (Komhyr, 1980).

Μετρήσεις ολικής στήλης όζοντος με το φασματοφωτόμετρο MICROTOPS II Για τον υπολογισµό της ολικής στήλης του όζοντος στην ατµόσφαιρα απαιτείται η µέτρηση της έντασης της ΗΥΑ στο έδαφος σε συγκεκριμένα µήκη κύµατος στη Β-φασματική περιοχή (280-320 nm). Ο υπολογισµός αυτός βασίζεται στη χρήση του νόµου των Beer-Lambert και στη συνεισφορά της σκέδασης Rayleigh. Ο υπολογισµός της ολικής στήλης του όζοντος Ω (σε DU), µε τη χρήση 3 µηκών κύµατος λ1=305 nm, λ2=312 nm και λ3=320 nm, γίνεται από την παρακάτω εξίσωση: I(λ), Ι0(λ): η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας µήκους κύµατος λ, στο όριο της ατμόσφαιρας και στην επιφάνεια της γης αντίστοιχα, Ω: η ολική στήλη του όζοντος, α(λ): ο συντελεστής απορρόφησης του όζοντος, β(λ): ο συντελεστής οπισθοσκέδασης Rayleigh, µ: ο λόγος του οπτικού δρόµου της ηλιακής ακτινοβολίας διαµέσου του στρώµατος του όζοντος προς τον αντίστοιχο δρόµο όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει κάθετα στον τόπο µέτρησης.

Μετρήσεις της κατακόρυφης δομής του Ο3 με τη χρήση ηλεκτροχημικής οζοντοβολίδας ECC (Electrochemical Concentration Cell) Ο αισθητήρας όζοντος της ηλεκτροχημικής οζοντοβολίδας είναι ένα στοιχείο ιωδίου / ιόντων ιωδίου και αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια λευκόχρυσου τα οποία είναι βυθισμένα σε δύο ουδέτερα και ρυθμιστικά διαλύματα ιωδιούχου καλίου διαφορετικών συγκεντρώσεων στην άνοδο και την κάθοδο. Οι κυψελίδες της ανόδου και της καθόδου συνδέονται μεταξύ τους με μία γέφυρα ιόντων η οποία χρησιμεύει σαν διάδρομος για τα ιόντα και καθυστερεί την ανάμειξη των ηλεκτρολυτών της καθόδου και της ανόδου, διατηρώντας έτσι τις συγκεντρώσεις τους σταθερές. Οι κυρίαρχες αντιδράσεις που συμβαίνουν στην κάθοδο και την άνοδο είναι: στην κάθοδο 3Ι− → I−3 + 2e- , στην άνοδο Ι2 + 2e- → 2I− Η συνολική αντίδραση στο ηλεκτροχημικό στοιχείο είναι: 3Ι− + Ι2 → I−3 + 2I− Κάθε μόριο όζοντος προκαλεί ένα ρεύμα που αντιστοιχεί στο φορτίο δύο ηλεκτρονίων και από την ένταση του ρεύματος αυτού μέσα στο ηλεκτροχημικό στοιχείο προκύπτουν οι τιμές της συγκέντρωσης του όζοντος.

Χαρακτηριστικά ραδιοβολίδων Ο αισθητήρας της πίεσης είναι τύπου silicon. Τo εύρος λειτουργίας του κυμαίνεται από 1080-3 hPa. Η ανάλυση του αισθητήρα είναι 0.1 hPa και η ακρίβεια (accuracy) είναι 1 hPa για την περιοχή τιμών πίεσης 1080-100 hPa και 0.6 hPa για την περιοχή τιμών πίεσης 100-3 hPa . Ο αισθητήρας της θερμοκρασίας είναι τύπου capacitive wire. Η περιοχή λειτουργίας κυμαίνεται από +60 °C έως -90 °C. Η ανάλυση του αισθητήρα είναι 0.1 °C και η ακρίβεια (accuracy) είναι 0.5 °C. Η χρονική υστέρηση είναι μικρότερη των 2.5 sec για ρυθμό ανόδου 6 m/sec στα 1000 hPa. Ο αισθητήρας της υγρασίας είναι ένας πυκνωτής λεπτής μεμβράνης (thin film capacitor). Η περιοχή λειτουργίας κυμαίνεται από 0% σχετική υγρασία έως 100%. Η ανάλυση του αισθητήρα είναι 1% και η ακρίβεια (accuracy) είναι 2%. Η χρονική υστέρηση είναι 0.5 sec για ρυθμό ανόδου 6 m/sec στα 1000 hPa και θερμοκρασία 20 °C. Ο αισθητήρας λειτουργεί αξιόπιστα σε χαμηλές θερμοκρασίες τουλάχιστον έως το επίπεδο των -60 °C.

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Γιατί το όζον, παρότι αποτελεί ένα ιχνοστοιχείο της ατμόσφαιρας, είναι τόσο σημαντικό; 2) Πως κατανέμεται η συνολική ποσότητα όζοντος που περιέχεται σε μια ατμοσφαιρική στήλη μοναδιαίου εμβαδού καθ’ ύψος;