www.eprace.edu.pl » ozonosfera » Ozon i jego miejsce w atmosferze » Ozon-techniki pomiarowe

Ozon-techniki pomiarowe

Nazwa OZON wywodzi się z greckiego słowa ODZON – co oznacza „pachnący”, gdyż odznacza się on bardzo charakterystycznym zapachem, wyczuwalnym nawet przy bardzo małych ilościach gazu. Jest go niezwykle mało, gdyż zaledwie 0,000001% objętościowo, a 0,0000017% masowo. ( Oznacza to, że na miliard cząsteczek powietrza jest zaledwie dziesięć cząsteczek ozonu, a na miliard gramów powietrza – zaledwie 17 gramów ozonu). Może to wydawać dziwne, że mimo tak niskiego stężenia, ozon odgrywa tak ważą rolę na Ziemi, że jego ewentualny zanik spowodowałby zagładę życia na naszej planecie.

Choć ozon ma własną nazwę, to nie jest odrębnym pierwiastkiem. Jest to zwyczajny tlen w postaci cząsteczek złożonych z trzech atomów. Stosując terminologię chemiczną, pojedyncze atomy tlenu oznaczamy literą O, dwuatomowe cząsteczki tlenu oznaczamy O₂, a trzy atomowe cząsteczki ozonu oznaczamy O₃. Określa się też, że ozon jest odmianą „alotropową” tlenu.

W wesołych miasteczkach można nieraz spotkać stanowisko ze zderzającymi się miniaturowymi samochodzikami. Unosi się tam często charakterystyczny, ostry zapach. To właśnie ozon. Ozon powstaje m.in. w czasie wyładowań elektrycznych. W wesołym miasteczku samochodziki zasilane są prądem, który dociera do silnika za pośrednictwem długiego pręta przypominającego nieco tramwajowy pantograf. Zakończenie owego pręta, ślizgając się po znajdującej pod napięciem siatce rozpiętej nad samochodami, powoduje iskrzenie, które jest wynikiem niewielkich wyładowań elektrycznych. Produktem ubocznym tego zjawiska jest właśnie ozon.

Nazwę OZON wprowadził w 1840 roku chemik szwajcarski Christian Friedrich Schonbein (1799-1868). Odkrycie natury ozonu zawdzięczamy jednak chemikowi de la Rive, który w 1845 roku umieścił iskiernik elektryczny w naczyniu zawierającym czysty tlen i stwierdził, że wówczas pojawia się ozon. Na podstawie tego doświadczenia słusznie wywnioskował, że ozon jest „jakąś odmianą” tlenu. Bardzo szybko zainteresowano się nowo odkrytym gazem, dlatego bo uważano, iż ma on właściwości lecznicze. Dziś wiadomo, że tak nie jest. Choć nie wyklucza się, że w bardzo małych ilościach ozon może działać pobudzająco na organizm ludzki, to jednak wiadomo, że w koncentracji większej, niż 1 cząsteczka ozonu na 50 000 cząsteczek powietrza, jest on dla człowieka szkodliwy, w większych koncentracjach jest po prostu bardzo silnie trujący. Popularne kiedyś (przed wojną) „ozonizatory” powietrza przynosiły więc więcej szkody niż pożytku.

Aby badać występowanie ozonu w warunkach naturalnych opracowano bardzo prosty sposób jego wykrywania za pomocą „papierka ozonometrycznego”. Metoda ta polegała na tym, że pasek papieru pokrywano związkiem chemicznym -jodkiem potasu - który pod wpływem ozonu zmieniał swoją barwę. Metodą tą posługiwano się przez przeszło 30 lat, aż do 1880 roku. Wtedy zwrócono uwagę na fakt, że jodek potasu reaguje nie tylko z ozonem, ale z całym szeregiem innych substancji chemicznych

(z dwutlenkiem siarki, powstającym podczas spalania zasiarczonych paliw chemicznych, jak też reaguje z tlenkami azotu, powstającymi podczas spalania wysokotemperaturowego) przez to wyniki pomiarów przeprowadzonych tą metodą mogły być obarczone bardzo dużymi błędami.

Gdy mowa o czasach sprzed przeszło wieku, warto może wspomnieć, że w okresie 1853-1878 badania za pomocą papierka ozonometrycznego, były prowadzone w Krakowskim Obserwatorium Astronomicznym.W 1879 roku badania zawartości ozonu w atmosferze ziemskiej wkroczyły na nową drogę. Fizyk francuski A.Cornu zaczął fotografować widmo Słońca i stwierdził, że gdy Słońce jest na dużej wysokości ponad horyzontem, to odfotografowują się linie w jego widmie o krótszej długości fali, niż wówczas, gdy jest ono na małej wysokości ponad horyzontem. Słusznie wnioskował więc, że w ziemskiej atmosferze musi się znajdować jakiś czynnik, który pochłania krótkofalowe promieniowanie Słońca. (Marks, 1992)

Gdy Słońce jest na małej wysokości ponad horyzontem, to promienie jego przed osiągnięciem powierzchni Ziemi- muszą przebyć o wiele dłuższą drogę w atmosferze ziemskiej, niż wtedy gdy Słońce jest wysoko, a więc pochłanianie promieniowania w atmosferze jest wtedy większe.

W 1881 roku W. M. Hartley odkrył w warunkach laboratoryjnych, że ozon bardzo silnie pochłania promieniowanie nadfioletowe. Stąd wywnioskowano, że tym pochłaniaczem promieni krótkofalowych w atmosferze musi być ozon.

W 1890 roku zaobserwowano obecność absorbcyjnych linii widmowych ozonu w widmie Słońca, a nawet w widmie najjaśniejszej gwiazdy na niebie -Syriusza. Dzięki temu odkryciu stało się możliwe określenie ilości ozonu w atmosferze ziemskiej na podstawie obserwacji widmowych Słońca, a także obliczenie zawartości ozonu w atmosferze a różnych wysokościach, jeżeli pomiary wykonywać się będzie przy różnych wysokościach Słońca ponad horyzontem. Pierwsze takie pomiary wykonał w 1903 W. Meyer, a w 1913 roku Ch. Fabry i N. Buisson obliczyli, że ozonu w atmosferze ziemskiej jest nadzwyczaj mało, gdyby zgromadzić go przy powierzchni naszej planety, to powstałaby warstewka gazu nie przekraczałaby grubości 5 milimetrów.

W 1919 roku Fabry i Buison zbudowali w Marsylii specjalny spektograf służący do określania zawartości ozonu w atmosferze ziemskiej i przeprowadzili nim pomiary, na podstawie których obliczyli, że ozonu jest jeszcze mniej, gdyż stanowiłby on przy powierzchni Ziemi warstewkę o grubości tylko około 3 milimetrów. Ocenili zarazem, że ozon nie jest rozmieszczony w atmosferze równomiernie, ale że na wysokości około 30 kilometrów istnieje jego koncentracja, a w miarę oddalania się w górę i w dół od tej warstwy- którą nazwano ozonosferą- zawartość ozonu jest coraz mniejsza.

Trzeba było jeszcze jednak pięciu lat, zanim rozpoczęte zostały systematyczne pomiary zawartości ozonu w ziemskiej atmosferze. Rozpoczął je uczony brytyjski lord G.M.B. Dobson. W 1924 roku skonstruował on specjalny spektograf przeznaczony do tego celu (nazywany „spektografem Dobsona”) i zainstalował go na stacji obserwacyjnej Boars Hill koło Oxfordu. Przyrząd ten rejestrował promieniowanie nadfioletowe Słońca na kliszy fotograficznej. (Marks, 1992)

Już po kilkumiesięcznych obserwacjach i pomiarach Dobson zauważył, że ilość ozonu w atmosferze ziemskiej była znacznie większa na wiosnę 1925 roku, niż na jesieni poprzedniego roku. Odkrycie to zainteresowało świat naukowy i bardzo szybko powstało pięć następnych stacji obserwacyjnych: w Arosa w Szwajcarii, w Lindbergu w Niemczech, w Abisko w Szwecji, w Valentii w Irlandii i w Lerwick na Wyspach Szetlandzkich. Jednakże przyrządy z ostatnich czterech stacji przeniesiono do Egiptu, Indii, Nowej Zelandii, i Kalifornii tworząc zalążek sieci obserwacyjnej obejmującej całą Ziemię.

Badania rozwijały się tak szybko, że już w 1929 roku zorganizowano w Paryżu Międzynarodowe Sympozjum Naukowe poświęcone problematyce ozonu- po raz pierwszy w dziejach nauki. Dalszy istotny rozwój badań nastąpił dopiero po wojnie, a zwłaszcza w czasie Międzynarodowego Roku Geofizycznego 1957-1958. Wtedy to powstały nowe stacje obserwacyjne, a do badań włączyli się również naukowcy radzieccy. Obecnie na świecie jest około 150 stacji ozonometrycznych. Około100 stacji do pomiarów stosuje udoskonalone spektofotometry Dobsona. Są to przyrządy bardzo dokładne, ale niestety duże, ciężkie, skomplikowane i kosztowne. Naukowcy radzieccy stworzyli nowy inny przyrząd do pomiaru ozonu w atmosferze, a mianowicie- ozonometr M 83 i zastosowali go na swoich stacjach badawczych. M 83 jest co prawda mniej dokładny, ale o wiele prostszy w użyciu, mniejszy i lżejszy. Należy tutaj wspomnieć, że od 1963 roku systematyczne pomiary ozonometryczne wykonywane są także w Polsce w Głównej Stacji Geofizycznej Polskiej Akademii Nauk w Belsku koło Grójca. Stacja ta dysponuje więc już blisko czterdziestoletnią serią systematycznych pomiarów. Do badań używany jest tutaj spektofotometr Dobsona. Należy też dodać, że dokładność i staranność polskich badań jest bardzo wysoko oceniana w Światowej Organizacji Meteorologicznej.

Wykonywanie pomiarów z powierzchni Ziemi jest wygodne, lecz ma też swoje wady. Możliwości przeprowadzenia pomiarów i ich wyniki uzależnione są od pogody, stąd narodziła się koncepcja, aby przyrządy pomiarowe umieścić bezpośrednio w obrębie ozonosfery. Pomysł ten powstał, gdy technika balonowa osiągnęła odpowiednio wysoki poziom. Pierwszymi którzy swe przyrządy umieścili w OZONOSFERZE byli E. i V. Regenerowie. Posługiwali się oni nadal metodą optyczną, gdyż po prostu umieścili spektograf na balonie, który wzniósł się na wysokość 31 kilometrów. Doświadczenie to umożliwiło znacznie dokładniejsze wykonanie pomiarów, które wykonano na różnych wysokościach. Później skonstruowano różnego typu sondy wykonujące pomiary na drodze chemicznej (w sondach tych ozon wchodzi w różne reakcje chemiczne i w ten sposób określa się ile go jest w otaczającej atmosferze na różnych wysokościach). Zaczęto też wyniki pomiarów przekazywać na Ziemię za pomocą nadajników radiowych, czyli metodą nazywaną- radiotelemetryczną. Rozwój techniki umożliwił również pobieranie próbek powietrza na różnych wysokościach, a następnie badanie ich po wylądowaniu balonu na Ziemi. Również w Polsce zaczęto prowadzić sondaże atmosfery w 1979 roku na Stacji Obserwacyjnej Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Legionowie koło Warszawy przy użyciu sond produkowanych w byłej Niemieckiej Republice Demokratycznej. Balony te osiągały pułap 20 kilometrów. Obecnie sondowania te musiały zostać przerwane, gdyż jedno wysłanie sondy kosztuje około 1000 dolarów, a niestety polską naukę nie stać na ponoszenie takich kosztów.

Mówiąc o historii Polskich badań ozonu należy wspomnieć też o próbie startu olbrzymiego załogowego balonu stratosferycznego w 1939 roku. Start miał nastąpić z Doliny Chochołowskiej w Tatrach. Niestety, start się nie odbył z powodu eksplozji wodoru w czasie napełniania powłoki, która uległa uszkodzeniu. Na szczęście nie było ono poważne, ale przed zbliżającą się wojną nie zdołano już jej naprawić i następna próba już się nie odbyła, a zamierzano powłokę wypełnić niepalnym helem. Lot balonu stratosferycznego- który nazwano „Gwiazda Polski”- miał cel naukowy i byłby wielkim osiągnięciem na tym polu. (Marks, 1992)

Do badań zawartości ozonu w ziemskiej atmosferze, zwłaszcza na dużych wysokościach, zastosowano także rakiety. Pierwsze takie badania wykonano zaraz po wojnie w USA, przy użyciu zdobycznych, niemieckich rakiet V2. W porównaniu z balonem rakieta ma tą zaletę, że może wznieść się znacznie wyżej, jednakże ma też bardzo istotną wadę- bardzo szybko przemieszcza się względem otaczającego powietrza, toteż trzeba w niej stosować przyrządy zdolne do bardzo szybkiego wykonywania pomiarów. Lot rakiety z dużą prędkością zakłóca też wyniki pomiarów. Te pierwsze próby rakietowe wykorzystano z powodzeniem do uzyskania widma Słońca w promieniowaniu nadfioletowym, czego nie można uzyskać z Ziemi, gdyż atmosfera naszej planety pochłania to promieniowanie.

Kolejną metodę badawczą stanowi zastosowanie do badania ozonu, samolotów stratosferycznych. Badania te zaczęły być możliwe do przeprowadzenia, gdy w Stanach Zjednoczonych skonstruowano samolot szpiegowski U2. Samolot ten ma kształt wielkiego szybowca. Napędzany jest przez mały silnik odrzutowy, i osiąga bez trudu pułap 20 kilometrów, a właśnie na tej wysokości występuje koncentracja ozonu. Zaletą samolotu jest to, że umieszczona na nim aparatura naukowa może wykonać bezpośrednie pomiary wzdłuż dowolnie wytyczonej długiej trasy. Obecnie nazwę samolotu U2 zmieniono na ER2. Jest to skrót od słów Earth Resources (Zasoby Ziemi).

Poczynając od 1962 roku doskonałe wyniki zaczęło przynosić wykorzystywanie do badania ozonu atmosferycznego sztucznych satelitów Ziemi. Poruszają się one znacznie wyżej ponad ozonosferą, bo na wysokościach nie mniejszych niż 150 kilometrów (gdyż poniżej opór powietrza uniemożliwia ruch satelitarny, który odbywa się z prędkością ok. 8 km/sek.). Satelity wykonują badania ozonu atmosferycznego z góry. Wyniki takich badań są znacznie lepsze od „tradycyjnych” z Ziemi, ponieważ warstwa atmosfery ponad ozonosferą jest już bardzo rozrzedzona, a więc bardziej przezroczysta, niż warstwa pod ozonosferą.

Badania ozonu atmosferycznego wykonano dotychczas z przeszło 20 sztucznych księżyców Ziemi (głównie amerykańskich). Od 1979 roku badania zawartości ozonu w atmosferze ziemskiej prowadzone są w sposób ciągły na przeszło 10 takich urządzeniach. Jednym z nich jest amerykański meteorologiczny, 987-kilogramowy, sztuczny satelita Ziemi o nazwie „Nimbus 7”, który został wprawiony w ruch satelitarny 12 października 1978 roku na wysokości 1050 do 1100 kilometrów.

Andrzej Marks w swej książce pt. „OZON-katastrofa nad Polską” wspomina jeszcze o dwóch metodach badania ozonu w atmosferze ziemskiej. Są to: metoda mikrofalowa i metoda lidarowa.

Metoda mikrofalowa polega na sondowaniu ziemskiej atmosfery za pomocą bardzo krótkich fal radiowych. Fale te są pochłaniane przez ozon, zatem możliwe jest badanie jego ilości i rozkładu przestrzennego. Zaletą tej metody jest to, że wykonywanie tych pomiarów może być prowadzone niezależnie od pogody i pory roku.

Metoda lidarowa wykorzystuje tą samą zasadę, co mikrofalowa, z tą różnicą, że jako promieniowania sondującego stosuje się promieniowania laserowego. Niestety metoda ta uzależniona jest od pogody.

Pisząc o metodach badania ozonu w stratosferze, należy wspomnieć o sposobach wykrywania ozonu w warstwie, której żyjemy- troposferze. Jedną z najprostszych metod jest posługiwanie się roślinami czułymi na ozon. Tą rośliną jest tytoń.

Amerykańscy farmerzy uprawiający tytoń w stanie Connecticut i na Florydzie ponosili w latach pięćdziesiątych bardzo duże straty z powodu plam, które nagle pokrywały liście roślin. Zmienione liście znacznie traciły na wartości. W ciągu pewnego feralnego weekendu straty wyniosły 25% wartości zbiorów. Niektórzy farmerzy zaczęli uprawiać tytoń pod osłonami na powierzchni nawet 2 tys. ha. Wezwani na pomoc naukowcy postawili jednoznaczną diagnozę. Groźna przypadłość roślin tytoniu spowodowana jest zwiększonym stężeniem ozonu w powietrzu. Wkrótce intensywne badania i prace hodowlane zaowocowały odmianami lepiej znoszącymi agresywny gaz. Natomiast wśród tych, które stały się nieopłacalne, wybrano rośliny najbardziej uszkodzone. Okazało się, że ich wrażliwość jest dziedziczna. Taki był początek światowej kariery tytoniu jako wskaźnika zanieczyszczenia ozonem.

Amerykanie wyhodowali trzy odmiany tej rośliny: Bel-W3 bardzo wrażliwą, Bel-C wrażliwą i Bel-B najmniej wrażliwą. W laboratorium uszkodzenia na liściach Bel-W3 pojawiały się przy stężeniu O₃ dwukrotnie niższym (0.10 ppm przez 2 godziny) niż na liściach Bel-B (0.22 ppm przez 2 godziny). Reakcja na ozon, poza dziedziczoną wrażliwością, zależy także od wieku liścia, warunków otoczenia, zaopatrzenia rośliny w wodę i składniki pokarmowe. Plamy ozonowe, które początkowo są ciemne, z czasem pod wpływem słońca jaśnieją. Pewnym utrudnieniem w obserwacjach jest fakt, że podobne zmiany na liściach mogą wywoływać niektóre patogeny lub niedostatek składników mineralnych (na przykład fosforu). W rozstrzygnięciu wątpliwości pomaga porównanie odmiany najbardziej i najmniej wrażliwej. Jeśli uszkodzenia pojawiają się w tym samym czasie na obu roślinach, najprawdopodobniej ich sprawcą nie jest ozon. Gaz ten jest bardzo nietrwałym zanieczyszczeniem i pojawia się w specyficznych warunkach w słoneczne, gorące i bezwietrzne dni. Powstaje w łańcuchu reakcji fotochemicznych z węglowodorów i tlenków azotu, których głównym źródłem są spaliny samochodowe.

Tytoń, podobnie jak wszystkie roślinne wskaźniki zanieczyszczeń, może służyć jedynie do stwierdzenia obecności niepożądanej substancji w środowisku. Trudno natomiast wnioskować o stężeniu ozonu na podstawie wielkości plam na jego liściach. Tytoń jako "wykrywacz" ozonu był używany już w wielu krajach Europy (Danii, Niemczech, Holandii, Włoszech, Szwecji, Szwajcarii i Wielkiej Brytanii), w USA, Australii, Indiach, Izraelu, na Tajwanie.

W ostatnich latach stał się też cenną pomocą w edukacji ekologicznej w Polsce. Do ogólnokrajowej akcji rozpoczętej wiosną 1998 roku, organizowanej przez Fundację Ekonomistów Środowiska i Zasobów Naturalnych z Białegostoku, przystąpiło ponad 2 tys. szkół. Ich uczniowie hodują rośliny Bel-W3 i Bel-B. W ósmym tygodniu od wysiewu nasion tytoń jest wystawiany na zewnątrz. Od tego momentu prowadzący doświadczenie obserwują zmiany na liściach i notują je na specjalnych arkuszach, które następnie przesyłają do organizatorów akcji. Powiększające się plamy "czarno na białym" dowodzą, że nawet w rolniczej okolicy, z dala od ośrodków przemysłowych, roślinność jest uszkadzana. („Wiedza i Życie”, 6/1998)

Jak widać dysponujemy wystarczającą ilością metod badawczych aby bardzo dokładnie określić zawartość ozonu w różnych miejscach w atmosferze. Bardzo wysoko ocenia się metody satelitarne, które pozwalają na szybkie uzyskanie jednolitych danych dotyczących całej Ziemi. Pomiary wykonywane naziemnymi metodami wymagają gęstej sieci stacji obserwacyjnych, a następnie zcentralizowanego opracowania uzyskanych wyników pomiarowych.

komentarze

Przeszukaj ePrace

Copyright © 2008-2010 EPrace oraz autorzy prac.