Czy ozon i
promieniowanie UV (promieniowanie ultrafioletowe) to wrogowie czy
przyjaciele?
Powietrze otacza naszą kulę ziemską tworząc wokół niej atmosferę.
Atmosfera utrzymywana jest za pomocą sił grawitacji. W miarę oddalania
się od ziemi atmosfera rzednie i w kosmosie tj. ponad 500 km praktycznie
zanika. Natomiast niezależnie od wysokości nie zmienia się skład
chemiczny powietrza atmosferycznego (78% azotu, 21% tlenu, 1% pozostałe
składniki).
Tlen, jeden z podstawowych składników powietrza występuje w dwu
odmianach zwanych alotropowymi. Podstawową odmianą jest tlen dwuatomowy
O2, natomiast ta druga odmiana trójatomowa O3 zwana ozonem
występuje w znacznie mniejszych ilościach. Ta niewielka różnica w
budowie cząsteczek ma bardzo istotny wpływ na ich właściwości, a głównie
na oddziaływanie na otaczające nas środowisko.
Tlen O2 , w którym atomy tlenu powiązane są ze sobą wiązaniami
podwójnymi ma właściwości utleniające i jest wykorzystywana przez
wszystkie organizmy żywe do produkcji energii niezbędnej do ich życia. A
więc bez tlenu – utleniacza niemożliwe byłoby życie na naszej planecie.
Ten sam tlen bierze udział w całym szeregu innych procesów utleniania (spalania)
do celów przemysłowych jak i niszczących (korozja, pożary).
Atomy tlenu w stanie niezwiązanym praktycznie mogą istnieć tylko
bardzo krótko (ułamki sekund) i natychmiast łączą się w cząsteczki
dwuatomowe O2. Są jednak uwarunkowania specjalne, takie jak: wyładowania
elektryczne, bardzo wysoka temperatura, promieniowanie
wysokoenergetyczne typu UV słoneczne, kiedy niewielka ilość tlenu łączy
się w cząsteczki trójatomowe O3 czyli ozon. W takiej cząsteczce
poszczególne atomy łączą się między sobą pojedynczymi wiązaniami. Układ
ten jest mało stabilny, a zatem cząsteczki te rozpadają się z
wydzielaniem drobiny dwuatomowej O2 i bardzo aktywnego atomu tlenu. Ta
właściwość powoduje, że już niewielka zawartość ozonu w powietrzu
sprawia dużą aktywność chemiczną takiego powietrza.
Nieznaczna zawartość ozonu w powietrzu po wyładowaniach
atmosferycznych orzeźwia powietrze i sprawia przyjemne oddziaływanie na
otoczenie. Jednak wzrost stężenia i dłuższy czas jego
oddziaływania powoduje uszkodzenie błon komórkowych, jak i delikatnych
tkanek (np. nerwowych, błon śluzowych). W efekcie końcowym przebywanie
długotrwałe w atmosferze ozonu jest szkodliwe dla ludzi.
Przechodzenie formy tlenu cząsteczkowego (O2) w ozon (O3) i
odwrotnie związane jest z przepływem energii. Procesowi tych przemian
towarzyszy energia zwłaszcza promieniowania krótkich fal świetlnych, do
których zalicza się promieniowanie ultrafioletowe (UV). Naturalne
promieniowanie słoneczne zawiera około 9% promieniowania
ultrafioletowego (UV). Sam strumień promieniowania UV składa się z
trzech kategorii. Są to:
UV-A o długości fali 315-400 nm stanowi około 7% strumienia
słonecznego. Strumień ten ma najniższą energię i ograniczone
oddziaływanie na organizmy żywe nie stanowiąc dla nich zagrożenia, a
wręcz w niektórych przypadkach jest wskazane bo opalając nam skórę,
przyczynia się do wytwarzania niektórych witamin.
UV-B o długości fali 280-315 nm stanowi około 1,5% strumienia
słonecznego. Energia tego promieniowania jest znacznie większa od UV-A i
może być szkodliwa przy dłuższym oddziaływaniu dla organizmów
zwierzęcych i roślinnych.
UV-C o długości fali mniejszej niż 280 nm stanowi 0,5%
strumienia słonecznego. Promieniowanie to niesie ze sobą najwięcej
energii i niszczy każdy żywy organizm.
Promieniowanie UV zwłaszcza B i C bierze czynny udział w
przemianach tlenu (O2) w ozon, jak i rozpadu ozonu w tlen.
Na skutek oddziaływania przez miliony lat promieniowania (głównie
UV) wokół kuli ziemskiej, wytworzyła się z tlenu O2 warstwa powietrza
zawierająca podwyższoną zawartość ozonu. Warstwa ta nazywana jest
ozonosferą i rozciąga się od 10 do 60 km. Najwyższe stężenie ozonu
stwierdzono na wysokości ponad 20 km.
Cząsteczki ozonu posiadają zdolność absorpcji promieniowania
świetlnego o długości fali 200-315 nm. Dzięki tej
właściwości można oznaczać zawartość ozonu w wysokich warstwach
atmosfery do 50 km. Ta sama właściwość pozwala ozonowi zawartemu w
górnych warstwach stratosfery (20-50 km) pochłaniania znacznej części
promieniowania słonecznego UV-B i C. Znaczne obniżenie natężenia
promieniowania słonecznego UV-B i C docierającego do powierzchni ziemi
przez ten naturalny filtr umożliwia rozwój i życie organizmom żywym na
powierzchni ziemi.
W ostatnich dziesięcioleciach zaobserwowano zakłócenia w
stabilności warstwy ozonowej w stratosferze. W prowadzonych pomiarach w
określonych porach roku zarejestrowano znaczny ubytek ozonu w okolicach
biegunów ziemskich. Na obszarach tych zarejestrowano również znaczny
wzrost natężenia promieniowania UV. Stanowi to sygnał dla zagrożenia
życia organizmów żywych w tym żyjących tu ludzi. Ponieważ ubranie nie
stanowi żadnej bariery dla tego typu promieniowania, może ono powodować
oparzenia ludności jak i uszkodzenia wszystkich organizmów.
Warstwę ozonową niszczą substancje wykorzystujące właściwości
utleniające ozonu (tzw. reduktory) jak i substancje katalizujące jego
rozpad do tlenu cząsteczkowego.
Do pierwszej grupy należą wszelkiego rodzaju paliwa gazowe i
łatwo wrzące, takie jak: gaz ziemny, biogaz (metan), tlenek węgla,
rozpuszczalniki węglowodorowe itp. Pary tych substancji odprowadzane do
atmosfery na skutek ruchów termicznych docierają do stratosfery i tam
reagują z ozonem i tlenem. Proces ten zużywa określone ilości ozonu
zubożając tym samym jego stężenie.
O wiele groźniejsze są pary substancji o właściwościach
katalitycznych, do których należą węglowodory chlorowcopochodne.
Substancje te stosowano jako doskonałe niepalne rozpuszczalniki,
czynniki chłodzące w lodówkach i w szeregu innych procesach. Substancje
takie potrafią rozłożyć katalitycznie tysiące cząsteczek ozonu, nie
ulegając przy tym żadnym przemianom chemicznym. Ich ciężar właściwy
powoduje, że migracja do warstw stratosfery trwa często wiele - 20-30
lat, a zatem skutki tego procesu w warstwie ozonowej można ocenić
dopiero po 20-30 latach. Opóźnienie czasowe utrudnia jednoznacznie
stwierdzeniu, iż to te substancje są wyłącznie odpowiedzialne za
niszczenie tak cennego naturalnego filtra Ziemi.
Generalnie rozwój przemysłowy naszej planety powoduje emisję
szeregu substancji do atmosfery. Wiele z tych substancji przedostaje się
do stratosfery, gdzie niektóre z nich niszczą ozon znajdujący się w
warstwie ozonowej. Zmniejszająca się ilość ozonu w tej warstwie powoduje,
iż do powierzchni ziemi dociera coraz więcej
promieniowania UV, również
tego wysokoenergetycznego B i C. W wyniku tego obserwuje się wzrost
chorób skórnych, niektórych nowotworów, uszkodzeń wzroku, a także
poparzeń przy opalaniu. W ramach działań profilaktycznych wprowadzane są
do stosowania kosmetyki zawierające tzw. filtry. Jednakże pamiętać
należy, że każdy filtr ma swój czas działania ponieważ promieniowanie UV
powoduje rozpad substancji czynnej, a zatem wyznacza czas ochronny
danego filtru. I tu należałoby ostrzec wszystkich miłośników opalania,
aby z umiarem korzystali z dobrodziejstw promieni słonecznych. Specjalne
kosmetyki nie czynią też cudów, a ich właściwości ochronne są
ograniczone głównie poprzez czas emisji promieniowania.
Ozon i jego obecność w atmosferze ziemskiej jest związana z
promieniowaniem wysokoenergetycznym. W związku z tym, że zarówno tlen
jak i ozon mają właściwości absorbowania szkodliwego promieniowania
stają się niezbędnymi składnikami atmosfery, warunkującymi życie na
Ziemi. Stąd też tak ważne jest dokładne poznanie wszystkich
właściwości ozonu i jego wpływu korzystnego jak i toksycznego na
organizmy żywe. Istnieje szereg urządzeń do produkcji ozonu co umożliwia
poznanie jego wszystkich właściwości łącznie z oddziaływaniem na tkanki
żywych organizmów.
Silnie utleniające właściwości powietrza zawierającego duże
stężenie ozonu wykorzystywane jest w wielu procesach przemysłowych;
między innymi do dezynfekcji wody wodociągowej zamiast chlorowania.
Jednak cały szereg urządzeń energetycznych czy stosujących silne
naświetlanie (kserokopiarki) wytwarza ozon, który jest uciążliwym „gościem”
dla pracowników. Powoduje on bóle głowy, szybkie męczenie się, a nade
wszystko istnieje groźba wytwarzania wolnych rodników w organizmach co
może prowadzić do zwyrodnienia tkanek, a tym samym doprowadzić do
powstawania nowotworów.
No i na pytanie, kiedy możemy się z tymi czynnikami przyjaźnić, a
kiedy ich unikać -musicie sobie drodzy czytelnicy sami odpowiedzieć.
Tekst: dr Józef Sawa
Opis rysunków:
Rysunek 1. (a) Hipotetyczny model życia na powierzchni Ziemi przy pełnym
słonecznym promieniowaniu UV z czynną warstwą ozonową (lewa strona
rysunku) i ze zniszczoną warstwa ozonową (prawa strona rysunku). (b)
Równowagowy model oddziaływania promieniowania UV na drobiny tlenu i
ozonu w stratosferze.
Rysunek 2. Model niszczącego procesu ozonu w stratosferze przez związki
chloro-organiczne (katalizatory rozpadu ozonu).