Los Angeles-i szmog - A fotokémiai nyári füstköd

A talajközeli ózon és hatása
 

Sokszor hallunk arról, hogy mekkora gondot jelent a Földünket körülvevő ózonpajzs vékonyodása, az ózonlyukak keletkezése a magas légkörben. Ugyanakkor arról is egyre több szó esik, hogy nyáron a forgalmas városok levegőjében kialakuló ózon igen veszélyes. Ebben az írásban igyekszünk a "helyére tenni" az ózont - vagyis megvilágítjuk, hogyan lehet ugyanaz az anyag létfontosságú az egyik helyen és káros a másikon. Írunk a talajközeli ózon keletkezéséről és ránk is gyakorolt hatásáról.

 

Mi is az az ózon?
Földünk légkörének körülbelül 20 térfogatszázaléka oxigén. Ezt a kétatomos (O 2 ) formában előforduló gázt különböző baktériumok, algák szabadították fel kötött formájából a földtörténet évmilliárdjai során. Azonban a stabil kétatomos formán kívül létezik az oxigénnek egy sokkal reaktívabb, háromatomos (O 3 ) változata is, mely jellemzően a magas légkörben, a sztratoszférában, kb. 10-15 kilométer magasságban fordul elő, ahol a levegő ózontartalma eléri a 2´10 -5 térfogatszázalékot is, míg az egész légkör 3´10 -6 térfogatszázalék ózont tartalmaz. Ott helyben keletkezik O 2 -ből, az ibolyántúli (UV) sugárzás hatására. A mai földi élet kialakulása szempontjából ennek a rétegnek, az ózonpajzsnak döntő szerepe van, ugyanis megvédi a bioszférát az élőlényeket elpusztító, nagy energiájú UV sugaraktól. Ezt az ózonpajzsot pusztítjuk már évek óta az aeroszolos palackok freonos hajtógázaival, a sugárhajtású repülőgépekkel, illetve a nitrogén-műtrágyázás melléktermékeivel. A Déli-Sarkvidék felett már veszélyesen elvékonyodik ez a réteg, és hasonló jelenség tapasztalható időnként az északi féltekén is.

Az ózon kékes színű, jellegzetes szagú, nagyon mérgező gáz. A szagára jellemző, hogy még 500 ezerszeres hígításban is érezhető. Folyékony állapotban sötétkék, szilárdan pedig ibolyaszínű. Igen erélyes oxidálószer, könnyen bomlik, és a belőle felszabaduló atomos oxigén agresszívan reagál, amivel tud. Ezért is használjuk fertőtlenítésre, fehérítésre és ivóvíztisztításra.

 

Ózon a troposzférában
Amikor először fedezték fel az ózon jelenlétét a troposzférában (az alsólégkörben), úgy vélték, hogy a magasabb rétegekből áramlanak az alacsonyabb rétegekbe az ózonmolekulák, és ez vezet a troposzférában való felhalmozódásukhoz. A jelenlegi elképzelések szerint a troposzférikus ózon részben a sztratoszférából származik, részben magában a troposzférában keletkezik.

A troposzféra egészében az ózon biológiai forrásokból származó vegyületekből is képződik. Ebben az esetben az ózonképző nitrogén-monoxid a talajban végbemenő nitrifikációs folyamatok, illetve erdő- és szavannatüzek terméke.

Tiszta trópusi levegőben az ózonkoncentráció 15 ppb (30 mg/m 3 ) körüli, míg közép-európai vidéki levegőben a nappali középérték 40 ppb körül mozog, szennyezett levegőben nem ritka a 100 ppb körüli érték sem. (1 ppb = 10 -9 térfogatrész gáz 1 térfogatrész levegőre vonatkoztatva.)

 

A talajközeli ózon mint veszélyforrás
A negyvenes-ötvenes években a kaliforniai Los Angelesben a légszennyezés egy eddig ismeretlen, új formája tűnt fel. Ez a jelenség a londoni szmogtól eltérően nem télen, hanem nyáron, napsütéses időben, nagy gépkocsiforgalom esetén volt erőteljes. Fotokémiai szmognak nevezték el ezt a napsütés hatására kialakuló légköri jelenséget. Jellemző ilyenkor, hogy a levegő sárgásbarna színűvé válik, és a látótávolság csökken. A mérések kimutatták, hogy az új jelenség okozója nem más, mint az ózon (és egyéb oxidáló hatású vegyületek).

A talajközeli ózon koncentrációja nyaranta a múlt századinak többszörösére növekedett. Miután erre fény derült, vizsgálatok indultak annak feltárására, honnan is származik ez a növekedés. Mivel nagy gépjárműforgalom esetén mértek jelentős ózonkoncentrációt, a gépkocsik által kibocsátott gázok átalakulásait kezdték nyomon követni.

A jelenség kialakulásáért egyértelműen felelőssé tehetők a nitrogén-oxidok (nitrogén-monoxid: NO és nitrogén-dioxid: NO 2 ), a szén-monoxid (CO) és a különböző szénhidrogének. Ezen anyagok elsősorban a gépjármű-motorokból származnak.

A szennyezők koncentrációjának változása egy munkanap folyamán, fotokémiai szmog esetén

Forrás: Mészáros Ernő: Levegőkémia
Az ózonkoncentráció változása Magyarországon a XIX. században és 1995-ben

Forrás: Bozó és Weidinger, 1995
Nitrogén-monoxid keletkezhet magas hőmérsékleten a levegő oxigénjéből és nitrogénjéből, illetve nitrogén tartalmú vegyületek elégetésekor. Ezek a folyamatok leggyakrabban belső égésű motorokban játszódnak le, de jelentős nitrogénoxid-forrás az ipar és a biomassza-égetés is.

A szén-monoxid a szénvegyületek tökéletlen égésekor keletkezik, szén-dioxid (CO 2 ) helyett. A szénhidrogének forrásai ugyancsak nagyrészt a gépkocsik belsőégésű motorjai.

A fotokémiai szmog kialakulásához több összetett folyamat vezet. A folyamat reggel csúcsforgalom idején kezdődik, mikor is a járművekből nagy mennyiségű nitrogén-monoxid, szén-monoxid és szénhidrogén kerül a levegőbe. Délelőttre a nitrogén-monoxidból (NO) és a szénhidrogénekből (CH) nitrogén-dioxid (NO x )keletkezik, ami fény hatására elbomlik nitrogén-monoxiddá (NO) és atomos oxigénné (O). Délutánra az oxigénatom oxigénmolekulával (O 2 ) reagálva ózonná (O 3 ) alakul. Párhuzamosan az NO 2 -ból rendkívül mérgező peroxi-acetil-nitrát (PAN) és salétromsav is keletkezik.

Az ózon kialakulását nitrogén-monoxidból (NO) fény (hn) hatására különböző szénhidrogénekből (R) három kémiai egyenlettel lehet leírni:

NO + RO 2 >>>>> NO 2 + RO

NO 2 + hv >>>>> NO + O

O + O 2 >>>>> O 3

A CO által kiváltott ózonképződést hidroxil gyökök (OH) katalizálják. A folyamatot összegezve úgy írhatnánk le, hogy egy szén-monoxid molekulából (CO) és két oxigén molekulából (O 2 ) keletkezik fény hatására egy szén-dioxid (CO 2 ) és egy ózon (O 3 ) molekula.

Számítások szerint globális szinten a természetes források és a nyelők kiegyenlítik egymást, azaz a sztratoszférából és a természetes forrásokból származó ózont a talaj vonja ki a légkörből. A megnövekedett gépkocsiforgalom azonban felborította a talajközeli ózon természetes egyensúlyát.

 

Közbeszól az időjárás
Amint említettük, a megnövekedett szennyezőanyag-kibocsátáson kívül bizonyos időjárási helyzetek kialakulása is hozzájárul a magas ózonkoncentrációk előfordulásához. A felszínközeli ózon felhalmozódását okozhatja hazánkban, ha a Kárpát-medence időjárását anticiklon határozza meg, mely száraz és napos időjárást, magas léghőmérsékletet és stagnáló légáramlást eredményez.

A Földközi-tenger vidékén a nyári időszakban különösen gyakori a magas ózonkoncentráció. Az itteni éghajlatra jellemzők egyfelől a forró nyarak magas légnyomással, gyenge szelekkel és erős napsugárzással, másfelől a hűvös, többnyire fagymentes, de esős telek mindenütt, kivéve a hegyvidéki területeket. A hosszú és tartós nagy légnyomású időszakok, az ózonképző anyagok viszonylag csekély szóródása a magas hőmérséklettel és erős napfénnyel együtt elősegíti az ózonképződést. A talajközeli ózon képződése különlegesen nagymértékű Athénban, Rómában, Milánóban és környékén, valamint Északkelet-Spanyolország tengerparti részén, különösen Barcelona körül.

Egy Athénban és környékén 1984-ben végzett méréssorozat több jól elkülöníthető, fokozott ózonterhelésű időszakot mutatott ki. A legnagyobb koncentráció ekkor csaknem 200 ppb volt, ami nagyon magas és káros szint. Számos 100 ppb fölötti óránkénti értéket mértek, különösen 1992 nyarán az egyik legnagyobb görög városban, Patrasban, a Peloponnészoszi-félszigeten. Az Észak-Peloponnészosz hegyvidékén (körülbelül 1100 méteres tengerszint feletti magasságban) 1996-97-ben végzett megfigyelések azonban alacsonyabb koncentráció-értékeket mutattak ki, 40 és 50 ppb közötti hosszú távú átlagértékekkel.

 

A fotokémiai szmog hatása az élő szervezetre
A troposzférikus ózon koncentrációjának emelkedése számos kedvezőtlen egészségügyi hatást idéz elő. Különösen veszélyesek, egészségkárosítóak, rákkeltők az ózon másodlagos termékei, melyek hasonlóan oxidatív szennyezők (ilyen például az erősen mérgező PAN, azaz peroxi-acetil-nitrát, illetve a mérgező és rákkeltő aldehidek). Az ilyen anyagokat tartalmazó levegő izgatja az emberek, állatok szemét és nyálkahártyáját.
A légzőszervi panaszokkal kórházba felvett betegek számának alakulása az ózonkoncentráció függvényében

Forrás: Guidelines for Air Quality, WHO, 2000
Az ózon agresszív oxidáló anyag. Mivel vízben csak mérsékelten oldódik, belélegzéskor mélyen lekerülhet a tüdőbe. Rövid ideig tartó kitettség is elegendő lehet ahhoz, hogy légúti gyulladást okozzon. A tünetek azonban a kitettség megszűntével enyhülnek. Kísérletileg kimutatták, hogy 80 ppb koncentrációszint körül már jelentkezhetnek a káros hatások.

Az ózon a tüdőkapacitás csökkenését okozhatja, és gyengítheti a baktérium- és vírusfertőzésekkel szembeni ellenállóképességet. A kitettség okozta kapacitáscsökkenés súlyosan érintheti azokat, akiknek már egyébként is csökkent a tüdőfunkciójuk - ez a helyzet például az asztmások esetében.

Okkal feltételezhető, hogy a dohányosok is az átlagosnál érzékenyebbek az ózonterhelésre. Mivel tüdőműködésük hatékonyságát a dohányzás már károsan befolyásolta, a legcsekélyebb további káros hatás komolyabb következményekkel jár, mint a nemdohányzók esetében.

Különösen azok vannak kitéve a kockázatnak, akik sok időt töltenek a szabadban és fizikailag nagyon aktívak, például akik valamilyen építési munkát végeznek vagy sportolnak. A gyerekeket is ebbe a körbe kell sorolnunk, mivel ők is igen sokat mozognak, és sok időt töltenek a szabad levegőn. Anyagcseréjük magas alapszintje és még nem teljesen kifejlett immunrendszerük szintén különösen érzékennyé teheti őket az ózonterhelésre. Kimutatták, hogy ha csak rövid ideig tartózkodnak 60-120 ppb ózonkoncentrációjú levegőben, már az is károsan hat a tüdőműködésükre.

Állatkísérletek igazolták, hogy tartósan magas ózon tartalmú levegő belélegzése növeli a rák kialakulásának esélyét, bár ezt emberre még nem bizonyították.

Ezen túl az ózon közvetlenül árt a növényeknek, oxidálja, pusztítja a zöld leveleiket, virágaikat. 20 ppb PAN-koncentráció esetén már néhány óra után foltosodni kezdenek a levelek. Az ózon gátolja a fotoszintézist és a gyökérlégzést, ami szintén a növény pusztulásához vezethet. Már 60 ppb ózon a felére csökkenti a fotoszintézis mértékét egyes növényeknél.

 

Veszélyesen megnövekedett ózonterhelésű idoszakok
Az eddig ismertetett koncentráció-értékek elsősorban hosszú távú átlagokra vonatkoztak. Azonban a nagy területekre kiterjedő általános ózonszint-növekedés mellett előfordulnak igen nagy mértékben megnövekedett koncentrációjú rövidebb időszakok is, amelyek időtartama többnyire néhány órától néhány napig terjed. Bár ezek az időszakok alig befolyásolják a hosszú távú átlagértékeket, komoly károsító hatással lehetnek az egészségre és a növényzetre. Az iparosítást megelőzően ilyen időszakok ha voltak is, valószínűleg csak elvétve fordultak elő. Tehát a veszélyesen magas koncentrációk sokkal nagyobb gondot okoznak, mint ahogyan az például az éves átlagértékekből kitűnne.

Jóllehet nincsen általánosan elfogadott meghatározás arra vonatkozóan, hogy mi az a szint, aminek elérésénél már megnövekedett terhelésű időszakról beszélhetünk, a legtöbb megfigyelő egyetért abban, hogy mindenképpen ilyen eseménynek kell tekinteni, ha a koncentráció eléri a 80 ppb értéket. Egyesek azonban már a 60 ppb értéknél is megnövekedett ózonterhelésű időszakról beszélnek.

 

Irányértékek
Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) iránymutatást adott ki az egyes légszennyező anyagok egészségi kockázatot jelentő szintjeiről. Azt a legalacsonyabb biztos szintet véve alapul, ahol előfordulhatnak káros következmények, az ózon esetében nyolc órás átlagértékként 60 ppb irányértékre jutottak. Ugyanakkor hangsúlyozták, hogy ez nem jelent kellő biztonsági ráhagyást a legérzékenyebb embereket érő bizonyos fajta akut káros hatások esetére.

A Svéd Környezeti Orvostudományi Intézet egyórás értékként 40 ppb koncentrációt javasol, mint az emberi szervezet ózonterhelésének megengedett legfelső határa. A környezeti orvostudomány sok szakértője azon a véleményen van, hogy a káros hatás legalacsonyabb küszöbértékének megállapítása - kockázatmentes ózonszint formájában - még várat magára.

 

EU-szintek a közvélemény tájékoztatására
Az Európai Unió nemrég elfogadott új irányelve meghatározza azt az ózonszintet, amelynél tagországokban a közvéleményt tájékoztatni kell a helyzetről. Erre akkor kerül sor, amikor a koncentráció egy órás átlaga (három órai folyamatos mérésnél, illetve ha mérés alapján három órára előre jelezhető) túllépi a 90 ppb értéket. Létezik továbbá egy úgynevezett riadószint is, amely az ózon esetében 120 ppb. Ebben az esetben a lakosság figyelmeztetésén túlmenően meg kell tenni a szükséges gyakorlati intézkedéseket is (például korlátozni a gépjármű-forgalmat). Látható, hogy az egyes országokban egy év alatt milyen gyakran lépték túl a tájékoztatási szintet.
A 90 ppb-s ózonszint túllépése 1 órás átlagként az EU-ban, 1999 nyarán

Forrás: Acid Rain, Air Pollution and Climate Series, 12
A felszínközeli ózon koncentrációjának változékonysága Magyarországon

Forrás: Kiegészítő szöveggyűjtemény a Környezettan tankönyvhöz
A táblázat azt mutatja, hogy ez Dél-Európában volt a leggyakoribb. Spanyolországban és Olaszországban mértek a legmagasabb egy órás átlagértéket, továbbá Görögország és Franciaország is magas számmal szerepel. Meg kell jegyeznünk, hogy ezekben az esetekben a pontosság függhet az egyes országokban található megfigyelési pontok számától, és attól is, hogy azok hol helyezkednek el. Az adatok mindazonáltal meglehetősen pontos képet adnak arról, hogy 1999 nyarán az Európai Unió országaiban hogyan alakult a talajközeli ózon előfordulása.

Mikola Klára, Simon Gergely

Források:

Mészáros Ernő: Levegőkémia, Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém 1997

Haszpra László: A troposzférikus ózon képződése, Kutatás és Fejlesztés, 2001/4

Lynham, Barry: Traffic and Health, European Federation for Transport and Environment, Brussels, 1997

Kisfaludi Andrea: A légkör környezetkémiája, Maecenas, 1993

Acid Rain, Airpollution and Climate Series, 12

Kiegészítő szöveggyűjtemény a Környezettan tankönyvhöz, Környezetgazdálkodási Intézet (kiadás alatt)

Egészségügyi Világszervezet, http://www.who.int/environmental-information/Air/Guidelines/aqguide3.pdf

Directive 2002/3/EC of the European Parliament and of the Council of 12 February 2002 relating to ozone in ambient air