Sommersmog

Som sommersmog (også smog , ozonsmog eller LA -Smog ) er definert som lufteksponering for høye konsentrasjoner av ozon og andre fotokjemiske oksidanter . Sommersmog er forårsaket av fotokjemisk oksidasjon av karbonmonoksid (CO), metan (CH 4 ) og flyktige hydrokarboner ( VOC ) i nærvær av nitrogenoksider og vanndamp som katalysatorer , dvs. ikke for høyt i solrikt vær som ikke er for kult. Dannelsesmekanismen ble identifisert som årsaken til den såkalte Los Angeles-smog rundt 1950, særlig av en forskergruppe ledet av Arie Jan Haagen-Smit ved Caltech . LA-smog ble anerkjent som et spesielt fenomen i 1943. På den tiden økte industriproduksjonen spesielt raskt der på grunn av krigen. I kontrast, bare smog , fra røyk (røyk) og tåke (tåke), et eldre og ganske vinterlig fenomen.

Den lokale ozonforurensningen bestemmes av luftmålestasjoner og vises regelmessig og publiseres i forurensningskart. Ozon angriper luftveiene og skader planter og dyr. Siden selv lave konsentrasjoner av nitrogenoksider er tilstrekkelig, påvirkes bare områder med ekstremt ren luft ikke. Den globale økningen i bakkenivå ozon bidrar til klimaendringene - direkte som klimagass og indirekte gjennom redusert fotosyntesekapasitet til planter.

kjennetegn

Hovedkomponenten i fotokjemisk smog er ozon, et av de mektigste oksidasjonsmidlene av alle. Det står for opptil 90 prosent av fotooksidantene. I tillegg er det en kompleks blanding av forskjellige irritanter, inkludert peroxiacetyl nitrat , peroxibenzoyl nitrat , acrolein og formaldehyd . I tillegg til kortvarige, svært reaktive radikaler, er det også stabile produkter av oksidativ nedbrytning av organiske forbindelser. Disse er imidlertid i betydelig lavere konsentrasjoner enn ozon og er derfor av mindre betydning.

Ozongenerering

Både i det stratosfæriske ozonlaget og om sommeren, dannes ozon (O 3 ) ved tilsetning av et oksygenatom (O) til et oksygenmolekyl (O 2 ), hvor en tredje kollisjonspartner (M) må være til stede for å spre bindingsenergi:

O + O 2 + M → O 3 + M (1)

Imidlertid kommer O-atomene fra forskjellige kilder. I stratosfæren er det fotolyse av O 2 ved UV-C stråling, men dette betyr ikke komme i troposfæren . Om sommeren er det (2) fotolyse av ozon med UV-B ( , utover ca. 308 nm) eller (3) av nitrogendioksid (NO 2 ) av fiolett lys ( <420 nm):

O 3 + → O 2 + O ( 1 D) (2)
NO 2 + → NO + O (3)

Ved første øyekast (2) og (3) ikke synes å skifte O 3 balanse, fordi i (2) en U- 3 er tapt, som er reaksjonen (4) som vanligvis følger: (3):

NO + O 3 → NO 2 + O 2   (4)

Imidlertid, i tillegg til (4), er det fremfor alt andre kilder til NO 2

ROO + NO → RO + NO 2   (5)

I denne, står R enten for et hydrogenatom (H) eller for et organisk radikal slik som CH 3 .

Dannelsen av ROO begynner med reaksjon (2). Produktet O ( 1 D), et elektronisk eksitert oksygenatom, er vanligvis allerede avspent til grunntilstanden O ( 3 P) ved neste kollisjon , etterfulgt av (1), men O ( 1 D) kan være et alternativ , spesielt i fuktig og varm luft støter på et vannmolekyl (H 2 O):

O ( 1 D) + H 2 O → 2OH

Den reaktive hydroksylradikalen (OH, også skrevet HO) anses å være et vaskemiddel i atmosfæren, da reaksjonen med OH er den dominerende vasken for mange sporstoffer (overveiende flyktige organiske forbindelser ). Her kan for eksempel reaksjonen med kjeden for oksydasjon av metan (CH 4 ) via den mellomliggende produkter formaldehyd (HCHO) og karbonmonoksid (CO):

OH + CH 4 → CH 3 + H 2 O
CH 3 + O 2 → CH 3 OO
CH 3 OO + NO → CH 3 O + NO 2   (5,1)
CH 3 O + O 2 → HCHO + HO 2 ,
HO 2 + NO → OH + NO 2   (5.2)
OH + HCHO → HCO + H 2 O
HCO + O 2 → HO 2 + CO
HO 2 + NO → OH + NO 2   (5.3)
OH + CO, + O 2 → HO 2 + CO 2
HO 2 + NO → OH + NO 2   (5.4)

De tre OH-radikalene som ble brukt ble regenerert (5.2 til 5.4). Totalt fire NO ble oksidert. Etter fotolyse (3) er NO tilgjengelig igjen. (3) blir etterfulgt av ozondannelse (1). Økt ozonkonsentrasjon akselererer dannelsen av ytterligere OH-radikaler. Kjedereaksjonen fører ikke til en eksplosjon, fordi VOC-oksidasjonen ikke kan bli mye raskere enn NO blir reprodusert av (3), ellers finner konkurrerende reaksjoner av typen som forbruker ozon sted med (5)

ROO + R'OO → ROOR '+ O 2

overhånd. Siden nitrogenoksider hovedsakelig er av menneskeskapt opprinnelse i storbyområder, er nitrogenoksidkonsentrasjonen den riktige spaken for å begrense sommersmog - en av årsakene til mye lavere nitrogenoksidgrenseverdier i miljøet enn på utsatte arbeidsplasser ( MAK ). Som et resultat er oksidasjonen av VOC forsinket, ozonforurensningen avtar i byområdet og øker i det omkringliggende området. For horisontal fordeling i stor skala, se. Bare i ekstremt rene luftområder gir konveksjon fra stratosfæren et betydelig bidrag til ozonkonsentrasjonen i den nedre troposfæren. For vertikale profiler se.

Ozondannelsespotensial

De viktigste kildene til ozondannende nitrogenoksider og hydrokarboner er trafikk (forbrenningsmotorer), industri (kraftverk), husholdninger (varmesystemer) og produkter som inneholder løsemidler (maling).

Eksosgassene som for eksempel sendes ut av et kjøretøy med forbrenningsmotor, bidrar til dannelsen av ozon i troposfæren nær bakken med de forskjellige reaktivitetene til deres bestanddeler ( VOC ). Spesielt uforbrente hydrokarboner har høy reaktivitet med HO-radikaler og har følgelig et høyt ozondannelsespotensial. The Federal Immission Control Act kaller slike stoffer “ozon-forløpere” og anbefaler å overvåke 27 kjemiske forbindelser, inkludert alkaner, alkener, substituerte benzenforbindelser og formaldehyd (39th BImschV, Del 8, Annex 10, (B)). Målestokken for å evaluere ozondannelsespotensialet er en metode utviklet i USA på begynnelsen av 1990-tallet, hvor avgasskomponentene registreres og evalueres individuelt som en del av den lovbestemte foreskrevne kjøresyklustesten (f.eks. US FTP). I California brukes denne prosedyren nå for sertifisering av nye biler som er registrert på markedet - spesielt de med omformulert og alternativt drivstoff. Dette gjøres ved hjelp av MIR-skalaen (maksimal inkrementell reaktivitet), som muliggjør vurdering av relative ozondannelsespotensialer under visse atmosfæriske forhold. MIR-faktorer er nå bestemt empirisk for rundt 200 avgasskomponenter. Komponenter med høyest reaktivitet er noen olefiner (MIR = 8–11 gO 3 / g VOC ), noen aromatiske stoffer (7–9 gO 3 / g VOC ) og noen oksygenater (aldehyder med 5-7 gO 3 / g VOC ); Metan har den laveste reaktiviteten med 0,015 gO 3 / g VOC .

Biltester har vist følgende:

  • Ozondannelsespotensialet reduseres med 80-95% sammenlignet med et kjøretøy uten katalysator
  • Balansen for et kjøretøy drevet av naturgass (CNG) er veldig gunstig
  • Derimot er det bare mindre forskjeller mellom forskjellige drivstoff (bensin, diesel, alkoholbrensel M85 / E85)
  • I bensindrift skapes 50% av ozondannelsespotensialet av bare fire avgasskomponenter, mens ytterligere 40% skapes av 16 andre komponenter
  • I drift av gass (CNG) og diesel, dannes 50% av ozondannelsespotensialet av bare to komponenter
  • På samme måte, ved alkoholdrift (M85 / E85), dannes 50% av ozondannelsespotensialet av bare to komponenter (formaldehyd eller acetaldehyd, uforbrent alkohol), ytterligere 40% av 18 andre komponenter.

Effekter hos mennesker

Ozon trenger dypt inn i lungene som en irriterende gass og kan forårsake betennelse . Avhengig av varigheten av eksponeringen og konsentrasjonen, er det helseeffekter som hoste, øyeirritasjon, hodepine eller lungefunksjon. I følge legenes anbefalinger bør fysisk anstrengelse unngås når ozonnivået er høyt.

Juridiske grenseverdier

I henhold til det tredje EU-direktivet 2002/3 / EC for "Grenseverdier for helsebeskyttelse" (erstattet av det nye luftkvalitetsdirektivet 2008/50 / EF 11. juni 2010 ):

  • 1-timers konsentrasjon> 180 μg / m 3 : Informasjon for befolkningen
  • 1 times konsentrasjon> 240 μg / m 3 : advarsel publikum
  • Maks daglig eksponering (8-timers verdi): 120 μg / m 3

Mulige mottiltak

Individuell (kortsiktig) unngåelse er å gå til lukkede rom eller forlate forurensede områder. En langsiktig reduksjon kan bare oppnås på kollektivt nivå. Siden været blir sett på som en av utløserne som ikke i stor grad kan påvirkes, er tiltakene for å redusere sommersmog rettet mot å redusere nitrogenoksider og flyktige hydrokarboner. Siden disse er forårsaket av trafikk, private avfyringssystemer og industri / handel, avstengning og trafikk unngåelse hjelp (kortsiktig). På lang sikt må utstyr og kjøretøy ettermonteres og / eller byttes ut.

Etter solnedgang stiller dannelsen av ny ozon seg stille. I regioner med stor trafikk reagerer den eksisterende ozon med nitrogenmonoksid, og ozonkonsentrasjonen synker raskt. På landsbygda faller ozoninnholdet i luften bare litt om natten. Generelt er ozonkonsentrasjonene lavest om morgenen.

litteratur

  • Ian Barnes, Karl-Heinz Becker, Peter Wiesen: Organiske forbindelser og fotosmog . I: Kjemi i vår tid . teip 41 , nr. 3. juni 2007, s. 200 , doi : 10.1002 / ciuz.200700415 .
  • Johannes Staehelin, Christoph Hüglin, Stefan Brönnimann, Nino Künzli: Ozon und Sommersmog , Swiss Academies of Arts and Sciences , 2016.
  • Kjemi i dag - videregående trinn, Schrödel Verlag
  • CE Mortimer, U. Müller: Chemie, 8. utgave, Thieme, Stuttgart, 2003
  • B. Höhlein, P. Biedermann et al.: Traffic emission and summer smog , Monographs from Forschungszentrum Jülich, Volume 26/1996, ISBN 3-89336-188-X
  • G. Decker, J. Beyersdorf et al.: Ozondannelsespotensialet til forskjellige kjøretøy- og drivstoffkonsepter , ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 98 (1996) 5

Individuelle bevis

  1. ^ Arie J. Haagen-Smit: Kjemi og fysiologi i Los Angeles Smog. Industriell og teknisk kjemi 44, 1952, doi: 10.1021 / ie50510a045 ( fri fulltekst ).
  2. ^ John M. Wallace, Peter V. Hobbs: Atmospheric Science: An Introductory Survey. Elsevier, 2006, ISBN 9780080499536 , begrenset forhåndsvisning i Google Book Search.
  3. ^ Historie om smog. LA Weekly, 22. september 2005.
  4. ^ Militæravdeling i California: California og andre verdenskrig - Los Angeles Metropolitan Area under 2. verdenskrig. California Military History Online, 2019.
  5. Elizabeth A. Ainsworth et al.: Effektene av troposfærisk ozon på netto primær produktivitet og implikasjoner for klimaendringer. Årlig gjennomgang av plantebiologi 63, 2012, doi: 10.1146 / annurev-arplant-042110-103829 ( gratis fulltekst ).
  6. a b Ozon på bakkenivå - informasjonsbrosjyre fra det bayerske statlige miljøbyrået
  7. Yutaka Matsumi, Masahiro Kawasaki: fotolyse av atmosfærisk ozon i den ultrafiolette regionen. Chem. Rev. 103, 2003, doi: 10.1021 / cr0205255 ( fri fulltekst ).
  8. Reaction Denne reaksjonen er ikke elementær, men finner sted via HOCO * eller H, avhengig av trykket, se David C. McCabe, Tomasz Gierczak, Ranajit K. Talukdar og AR Ravishankara : Kinetics of the Reaction OH + CO under atmosfæriske forhold. Geophysical Research Letters 28, 2001, doi: 10.1029 / 2000GL012719 (fri fulltekst).
  9. ^ KB Moiseenko et al.: Regional Photochemical Surface-Ozon Sources in Europe and Western Siberia. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics 54, 2018, doi: 10.1134 / S0001433818060105 ( gratis fulltekst ).
  10. LL Pan et al.: Bimodal fordeling av fri troposfærisk ozon over det tropiske vestlige Stillehavet avslørt av observasjoner i luften. Geophysical Research Letters 42, 2015, doi: 10.1002 / 2015GL065562 (gratis fulltekst).
  11. ^ Informasjon om ozon - informasjonsbrosjyre fra det bayerske statlige miljøbyrået
  12. 39. BImschV, del 8, vedlegg 10
  13. NRW Landtag 1985
  14. ^ Ozon - Tiltak mot sommersmog ( Memento 3. november 2012 i Internet Archive )

weblenker