Universitatea din Piteti

Facultatea de tiine

Lucrare de licen

Coordonator tiinific

Prof.univ.dr. Dumitru Chirlean

Student

Iuliana Ciobanu

Piteti

2015Scurt rezumat al lucrrii

Cuprins

Capitolul 1. Noiuni introductive

Capitolul 2. Ozonul i precursorii acestuia

2.1. Definiii ozonul(troposferic i stratosferic) i precursorii acestuia

2.2. Efectele nocive ale ozonului troposferic

2.3. Sursele de emisie

2.4. Cadrul legislativ

Capitolul 3. Experimente. Dispozitive experimentale

3.1. Determinarea concentraiei de ozon troposferic

3.2. Aparatura instrumental

Capitolul 4. Rezultate obinute

4.1. Zone cercetate

4.2. Concentraii de ozon troposferic

4.3. Corelaii cu precursorii

Capitolul 5. Concluzii

Liat de simboluri

Bibliografie

Capitolul 1. Noiuni introductive

Preocuprile pentru un mediu sntos i durabil au condus la schimbarea atitudinii omului n relaia cu natura. Aceasta a nceput s se degradeze, deoarece a fost mult timp exploatat fr mil, iar acum, tot omului i revine misiunea de a repara tot ceea ce a stricat. Prin urmare, trebuie s facem tot posibilul s conservm toate resursele pe care Pmntul ni le ofer, considerate resurse inepuizabile, deoarece, prin intervenia noastr, a oamenilor, n ncercarea de a ne face viaa mai uoar, le transformm n resurse epuizabile i, mai apoi, inexistente. Trebuie s protejm n special, stratul de ozon, care intr n componena scutului nostru protector i care contribuie la meninerea noastr n via . n urm cu aproximativ cu 5 miliarde de ani, printr-un fenomen necunoscut nc, n viaa Terrei a aprut ozonul. Insignifianta rud a binecunoscutului oxigen cu molecul diatomic, ocup un mic spaiu n nveliul gazos al Pmntului numit atmosfer, la altitudine de 25 km, n stratosfer. Civilizaia i industrializarea excesiv, au creat o bre n scutul de protecie al Pmntului, astfel c, acum, se discut foarte mult despre subierea periculoas a stratului de ozon, distrugerea acestuia fiind prima problem global de mediu luat n discuie i prezentat publicului larg din Comunitatea European. Consecinele reversibile ale acestui fenomen, att asupra ecosistemelor terestre, acvatice i sntii populaiei, ct i asupra sistemului climatic, au condus la necesitatea unui efort concentrat la nivel global i ca urmare, a fost instituit Regimul Internaional al Ozonului. Este puin cunoscut, faptul c, ozonul este un gaz toxic, urt mirositor. i totui, dac vorbim despre ozon, este interesant s observm cum acest gaz toxic devine un element vital pentru protecia vieii terestre, astfel spus, un ru care, n anumite condiii, devine un bine. [1]

Atmosfera este ptura protectoare subire de la suprfaa Pmntului, care asigur via i o protejeaz fa de elementele ostile din afara spaiului terestru, absorbind energia i radiaiile ultraviolete periculoase ale Soarelui, modernd temperatura Pmntului. Atmosfera reprezint cheia dezvoltrii vieii pe Terra i este cea mai activ dintre componentele mediului.

Atmosfera conine azot (sau nitrogen) bimolecular (N2) n proporie de aproape 78,2%, oxigen bimolecular (O2) cu 20,5%, argon (Ar) cu 0,92%, bioxid de carbon (CO2) cu 0,03%, ozon (oxigen trimolecular) (O3) i alte gaze, praf, fum, alte particule n suspensie, etc. [3]

Figura 1. Ponderea gazelor n atmosfer

Capitolul 2. Ozonul i precursorii acestuia

2.1. Definiii ozonul(troposferic i stratosferic) i precursorii acestuia

Ozonul este un alotrop al oxigenului biatomic, mai puin stabil dect acesta, care protejeaz pmntul de razele ultraviolete i reprezint 0,00006% din ntreaga atmosfer. Etimologia cuvntului provine de la grecescul zon, avnd semnificaia de miros.

Acesta a fost primul alotrop al unui element chimic recunoscut de tiin i a fost propus ca i element chimic distinct n anul 1840 de ctre Christian Friedrich Schonbein. Formula sa a fost determinat abia n anul 1865 de ctre Jacques-Louis Sore i confirmat de Schonbein n anul 1867, molecula de ozon fiind format din 3 atomi de oxigen. Aceasta se gsete att n stare natural, formndu-se n urma descrcrilor electrice i sub aciunea razelor solare, dar i artificial n urma proceselor chimice. [1]

Figura 2. Structura moleculei de ozon

Ozonul este generat n atmosfer, prin descrcri electrice, reacii fotochimice, sau cu radicali liberi, iar n spaiile nchise este generat i de lmpile UV. Ozonul poate atinge concentraii periculoase i n aerul liber, n cazul stagnrii straturilor de aer (inversiune termic) n zone poluate. Ozonul este principalul component al smogului, rezultat n urma reaciei dintre componenii gazelor de eapament i oxigenul din atmosfer. Dac nivelul ozonului n aer ajunge la 1 ppm/volum, apare un miros caracteristic(neptor). Inhalarea ozonului la acest nivel produce iritaie sever (irit ochii, sistemul respirator superior, plmnii) i dureri de cap.

Ozonul este toxic pentru organismele vii; este duntor omului, producnd dureri de cap, fiind iritant, caustic al mucoaselor respiratorii dac se gsete n atmosfera terestr joas numit troposfer pn la cca 12km, dar, n stratosfer, formeaz un scut protector mpotriva radiaiilor ultraviolete de tip B (UV-B) cu lungimea de und intre 240-320 nm, prevenind efectele nocive asupra tuturor ecosistemelor. Ozonul genereaz radicali liberi n esuturi. Aceste specii reactive pot cauza peroxidarea lipidelor, oxidarea gruprilor sulfhidril ca i alte procese oxidative destructive.

Organismele pot fi protejate cu ajutorul unor captori de radicali ai antioxidanilor sau al compuilor coninnd grupri sulfhidril. [3]

Figura 3. Formarea ozonului

Acum un miliard de ani, algele albastre-verzi au nceput s foloseasc energie solar pentru a descompune moleculele de H2O i CO2 i pentru a le recombina n compui organici i oxigen molecular (O2). Aceast transformare bazat pe energia solar poart numele de fotosintez.

O parte din oxigenul rezultat n urma fotosintezei, combinat cu carbonul organic, au recreat molecule de CO2. Oxigenul rmas, acumulat n atmosfer, a creat un dezastru ecologic n ceea ce privete organismele anaerobe. Pe msur ce cantitatea de oxigen din atmosfer a crescut, cea de CO2 a sczut.

n atmosfera superioar, o parte din moleculele de oxigen au absorbit energie de la razele ultraviolete ale soarelui i s-au transformat n oxigen atomic. Aceti atomi combinai cu ozigenul molecular rmas au format molecule de ozon (O3) care absorb eficient razele ultraviolete. Acest strat fin de ozon acioneaz ca un scut protector al planetei improtriva razelor ultraviolete.

Cantitatea de ozon necesar pentru protejarea Pmntului de razele ultraviolete nocive variaz intr 200 i 300 nanometri (nm) i se crede c exist de peste 600 milioane de ani. Atunci nivelul de oxigen era aproximativ 10% din concentraia actual din atmosfer. nainte de acest moment existenta viatei era posibil doar n ocean. Prezena ozonului a dat organisemlor ocazia s evolueze i s triasc pe uscat. Ozonul a jucat un rol semnificativ n evoluia vietei pe pmnt i datorit ozonului exist via aa cum o tim azi. [4]

Molecula de ozon este format prin fotoliza meleculelor de oxigen (O2), sub aciunea radiaiilor ultraviolete i recombinarea atomilor de oxigen rezultai, cu moleculele de oxigen existente n atmosfer. Din cele 10 milioane de molecule din aer, aproximativ 2 milioane sunt de oxigen i numai 3 milioane sunt de ozon. Mecanismul formrii O3 e reprezentat n modelul urmtor. [5]

Figura 4. Ciclul ozonului

Mecanismul formrii moleculei de ozon:1. UV/C + O2 = O + O (Fotoliza oxigenului sau absorbia radiaiei ultraviolete de tip C de ctre oxigen i eliberarea a doi atomi de oxigen) .2. O + O2 = O3 Ciocnirea unui atom de oxigen O cu o molecul de oxigen O2 da natere unei molecule de ozon O3. . 3. O3 + UV/B = O2 + O + IR (Fotoliza ozonului sau absorbia radiaiei ultraviolete de tip B de ctre molecul de ozon, cu ruperea acesteia ntr-o molecul de oxige O2 i un atom liber de oxigen O, nsoite de emiterea de caldura-radiatie infraroie IR. . 4. O3 + O = O2 + O2 (ciocnirea unui atom de oxigen cu o molecul de ozon poate da natere la dou molecule de oxigen).

n aceste ecuaii, UV/C nseamn energia radiaiei ultraviolete de tip C iar UV/B nseamn energia radiaiei ultraviolete de tip B

Conform Dr.Robert Parson, specialist n chimie fizic, la Universitatea din Colorado, SUA, concentraia de oxigen este ntotdeauna mai mare dect concentraia de ozon. Astfel , ozonul absoarbe radiaie UV fr s se consume (s se rup n O2 i O) i convertete astfel radiaie UV n radiaie IR (cldur). Acesta-i motivul pentru care n stratosfer, temperatura crete cu altitudinea. Dr.Parson consider, c practic stratosfera este generat n primul rnd de ozon.

Fotolizarea este realizat de ctre fotoni, particule elementare, ce reprezint unitatea de baz a luminii i a altor formne de reacie electromagnetic. [5]

Conceptul modern de foton a fost dezvoltat treptat de ctre Albert Einstein (1905-1917), pentru a putea explica observaiile experimentale ce nu puteau fi explicate prin modelul undelor (fasciculelor) de lumin. [4]

Ozonul se formeaz n straturile superioare ale atmosferei, n urma aciunilor razelor ultraviolete asupra oxigenului. Concentraia lui maxim (n jur de 10-6 % volumetrice) se ntlnete la o altitudine de aproximativ 25km. Dei foarte redus, coninutul de ozon din atmosfer influeneaz puternic clima, avnd n acelai timp i rol de protecie a organismelor vii. [2]

Aceasta se explic prin faptul c, datorit absorbiei puternice n domeniul UV, ozonul oprete o parte din radiaiile solare, cele cu = 200-300 nm mpiedicndu-le s ajung la suprafaa pmntului.

Ozonul se produce prin absorbia de ctre oxigen a unei cuante de lumin (lungimea de und a radiaiei excitate trebuie s fie mai mic dect 242,2 nm).

O2 + h ( O + O (absorbtie de energie solara)urmata de o reacie trimolecular :

O2 + O + M ( O3 + M + Q ( degajare de caldura)

n reaciile de recombinare ale atomilor liberi de oxigen este necesar ca la ciocnire s participe i o a treia molecul, numit martor, M (de ex azot) care s preia o parte a energiei degajat sub form de energie cinetic. Astfel, nou format s-ar descompune iar, avnd energia necesar disocierii. n virtutea principiului I al termodinamicii (n particular a legii lui Lavoisier) energia consumat ntr-o reacie este i de semn contrar cu energia consumat n reacia opus. Adic, ct energie se degaja ntr-o reacie, tot atta se absoarbe n reacia opus. Numai ciocnirile trimoleculare duc la degajarea sub form de cldur a energiei de legtur care se elibereaz n momentul formrii legturilor chimice. Regiunea n care concentraia de azot este maxim, este situat la o nlime de 25 -30 km n stratosfer i poate ajunge la 10 ppm.

Vrful concentraiei absolute a ozonului n atmosfer atinge uneori 103 mol/cm3 la altitudine de 20-25 km la care presiunea atmosferic este mai puin dect a zecea parte din presiunea normal.

Ozonul absoarbe foarte puternic radiaiile ultraviolete din regiunea 220-330 km. Dac aceste radiaii nu ar fi absorbite de ctre ozon, ntreaga via de pe Pmnt ar fi expus efectelor radiaiilor.

n urma absorbiilor radiaiilor electromagnetice, ozonul transform energia radiaiilor n cldur. Aceasta este responsabil de maximum de temperatur ntlnit n hotarul dintre stratosfer i mezosfer, la o altitudine de aprox. 50 km. [3]

Cauza pentru care maximum de temperatur apare la o altitudine mai mare dect cea la care concentraia ozonului atinge maximum, se datoreaz faptului c ozonul este un absorbant de lumin ultraviolet, att de eficient nct cea mai mare parte din aceste radiaii sunt absorbite n partea superioar a stratosferei, unde se genereaz caldur. Numai o mic fraciune ajunge la altitudine joas, care rmne relativ rece.

Reacia general care este : 2O3 ( 3O2 este favorizat termodinamic, astfel c ozonul este instabil. Totui descompunerea ozonului cu o vitez de reacie semnificativ, implic prezena unor specii catalitice. n unele cazuri, descompunerea ozonului se realizeaz cu eliberare de oxigen atomic.

O3 + h ( O2 + O (absorbie de energie solar)O + O3 ( O2 + O2

2O3 ( 3O2 (reacie net)n fapt, aceste secvene de reacii nu sunt principalele cauze ale distrugerii totale a ozonului din stratosfer, deoarece distrugerea sa este catalizat de un numr mare de constiutueni naturali, sau poluani n urme ce includ NO, NO2, H, HO, HOO, CIO, Cl, Br i BrO. n afara speciilor poluante Cl i Br,NO i NO2 din surse naturale, respectiv din surse poluante, sunt intermediarii cei mai importani:

NO + O3 ( NO2+ + O2

O3 + h ( O2 + O

O + NO2 ( NO + O2

2O3 ( 3O2 (reacia net)

Oxizii de azot, NOx, implicai n reaciile de mai sus, pot proveni din diferite surse, inclusiv din descrcrile electrice din atmosfer. De asemenea, pot fi produi n urma zborurilor avioanelor supersonice. Astfel, n jurul anului 2003 s-a demostrat c un zbor comercial al supersonicului Concorde pe distan New York - Londra, a indicat cum componentul semnificativ al poluanilor, oxizi de azot, NOx, din stratosfer este NO2: NO2 + O ( 2NO

De reamintit, c N2O este un component natural, prezent n atmosfer, fiind component major al procesului de denitrificare prin care O2 fixat se rentoarce n atmosfer sub form gazoas. [3]

Descompunerea ozonului se produce i pe suprafaa solidelor, cum sunt oxizii metalici i srurile rezultate prin extragerea minereurilor. Aerul evacuat spre exterior prin sistemul de ventilaie al avioanelor de mare nlime, trecut spre motoarele fierbini particip la descompunerea ozonului.

Radiaia ultraviolet, bogat n energie, care asigur scindri moleculei de O2 pentru a produce oxigenul atomic necesar formrii ozonului, nu penetreaz troposfera.

Din acest motiv, n troposfer, ozonul este generat printr-un lan de reacii n care sunt implicate diferite specii:

CO + HO + M ( H + CO2 + M

H + O2 + M ( HO2 + MHO2 + NO ( HO + NO2NO2 + h ( NO + O

O + O2 + M ( O3 + M

Reacia net este :CO + 2O2 ( O3 + CO2 Alte specii prezente n mod normal n atmosfer, ca de exemplu CH4, pot fi implicate n formarea ozonului. n ceea ce privete ionii de oxigen prezeni n atmosfer, un reprezentant al acestora este ionul de oxigen O+ ce poate rezulta prin aciunea radiaiei ultraviolete asupra atomilor de oxigen : O + h ( O+ + e

Acesta este ionul pozitiv de oxigen predominant in unele regiuni ale ionosferei. Ionul de oxige pozitiv este reactiv, putnd reaciona cu oxigenul molecular, sau cu azotul :

O+ + O2 ( O2+ + O

O+ + N2 ( N2+ + O

[3]

Ali ioni pozitivi ce conin oxigen si care sunt generai prin fotoionizare direct includ O2+ si NO+ .

Distribuia Ozonului n atmosferAproximativ 90% din ozonul din atmosfer se gsete n stratosfer. Stratul de ozon se ntinde de la 15 la 50 km, fiind ns cel mai concentrat la 20 25 km. Concentraia de ozon este destul de mare i anume cantitatea maxim de ozon n acest strat este de 450 uniti Dobson. O unitate Dobson (DU) reprezint cantitatea de ozon care se afl ntr-un strat de ozon pur, n grosime de 0,01 mm i conine 2,69 x 1016 molecule de ozon/cm2 sau 2,69 x 1020 molecule ozon/m2, n condiii normale. (Numele este dat dup Gordon Dobson, de la Universitatea Oxford, care n anul 1920 a inventat un aparat de msurare a ozonului atmosferic, numit Spectrofotometru de ozon) [4]

Figura 5. Concentraia ozonului n atmosfer

Cantitatea de ozon stratosferic variaz n mod natural, att n spaiu ct i n timp, iar producerea acestuia are loc prin reacii fotochimice la altitudini de peste 25 km, De-aici ajunge n partea de jos a stratosferei, unde este mprtiat de vnt.

Msurtorile arat ca cea mai mare concentraie de ozon se afl la poli. Pe msur ce ne deplasm spre Ecuator, concentraia scade, dei ozonul este creat aici, fiind apoi purtat de vnt spre poli, unde este distrus.

Media lunar de ntreinere a ozonului se schimb n funcie de latitudine i anotimp i semnific grosimea stratului de ozon, n limitele 2,3 - 5,2 mm, fiind influenat de presiune i temperatur. n natur se urmrete mrimea i ntreinerea ozonului de la ecuator spre poli i mersul anual : minim toamna, maxim primvara.

Ozonul joac un rol major n reglarea regimului termic din stratosfer, deoarece volumul de vapori de ap din strat este foarte redus. Temperatura crete odat cu concentraia ozonului.

Energia solar e convertit n energie cinetic, atunci cnd moleculele de ozon absorb radiaia ultraviolet rezultnd nclzirea stratosferei. Ozonul absoarbe radiaia ultraviolet, cu lungimi de und ntre 290 i 320 nm. Aceste lungimi de und, sunt duntoare vieii, deoarece ele pot fi absorbite de acidul nucleic din celule. Penetrarea excesiv a radiaiei ultraviolete spre suprafaa planetei ar distruge vegetaia i ar avea urmri ecologice grave.

Mari cantiti de radiaii ultraviolete ar duce la efecte biologice negative, cum ar fi creterea cazurilor de cancer. Condiiile meteorologice afecteaz distribuia ozonului. [4]

Ozonul este prezent i n paturile inferioare ale atmosferei (troposfer), dar la o concentraie mult mai mic dect n stratosfer.

Cea mai mare parte a radiaiei ultraviolete, este deja filtrat de ozonul din pturile superioare (din stratosfera). Deci, mecanismul natural de baz de formare, nu se mai activeaz la acest nivel, ns, n unele regiuni, n straturile inferioare ale atmosferei, se ntlnesc concentraii nalte ale ozonului, de obicei, ca rezultat al polurii.

Arderea combustibilului fosil i biomasei, elimin componeni, de felul oxizilor de azot i componeni organici care, sub influena razelor solare, intr n reacie i formeaz ozonul.

Aciunea ozonului din straturile atmosferice inferioare i din atmosfer, este foarte diferit, n timp ce ozonul stratosferic protejeaz pmntul de radiaia ultraviolet, cel de la suprafaa lui este poluant. Dei micarea aerului bogat n ozon contribuie la mrimea concentraiei la suprafa, doar o parte foarte mic este transportat n stratosfer. Astfel, ozonul format la suprafaa Pmntului, n urma polurii, nu poate completa stratul de ozon. Chiar dac el absoarbe radiaie ultraviolet, efectul este minimal. [4]

Ozonul din straturile superioare ale atmosferei (Ozonul bun aflat la 15- 40 km altitudine) protejeaz planeta de efectele duntoare ale radiaiilor ultraviolete (UV B l=280-320 nm) emise de radiaiile soarelui. De la apariia vieii pe Pmnt, plantele i animalele s-au adaptat la un anumit nivel de radiaii UV. Modificarea, n special, creterea acestei cantiti de radiaie, poate provoca distrugerea treptat a lumii vii. Formarea ozonului n straturile superioare ale atmosferei are loc de cteva milioane de ani, dar compuii naturali de azot din atmosfer se pare c au meninut constant concentraia de O3. Ozonul este produs n mod natural n stratosfer ca urmare a descrcrilor electrice sau sub aciunea razelor solare i reprezint un filtru pentru radiaiile solare ultraviolete de tip B, dar acest ozon bun poate fi treptat distrus de substanele chimice care epuizeaz stratul de ozon (ODS), care o dat emise n atmosfer pot rmne intacte ani de zile, timp n care trec din troposfer n stratosfer.

Ozonul prezent n straturile inferioare ale atmosferei (Ozonul ru aflat pn la cca. 12km altitudine) estetoxic, atac celulele plantelor prin inhibiia fotosintezei, intensific procesele nocive ale smogului. Concentraii ridicate la nivelul solului sunt periculoase i pot provoca boli pulmonare. Formarea acestuia este accentuat n lunile de var. [6] Ozonul troposferic se formeaz n atmosfera terestr joas, ca rezultat al reaciilor chimice n prezena luminii solare, din diferii poluani provenii de la maini (CO2 , gaze de eapament), uzine (metan, oxizi de azot), termocentrale, rafinrii etc.

Figura 6. . Ozonul bun, Ozonul ru in Atmosfer

Ozonul se comport diferit la altitudini diferite n atmosfer. Ozonul Bun este ozonul aflat n stratosfer, care absoarbe razele UV provenite de la soare i ozonul aflat la mijlocul troposferei, care distruge substanele poluate. Ozonul Ru este ozonul din partea superioar a troposferei, care favorizeaz efectul de ser i ozonul din partea de jos a troposferei, care favorizeaz smog-ul. [6] Studiile efectuate in tarile 12 occidentale remarca o crestere a concentratiei ozonului troposferic cu 1-2% pe an.

Este de remarcat faptul ca ozonul are, asupra vegetatiei, efect sinergic cu oxizii de azot si cu dioxidul de sulf, astfel incat, chiar la nivele reduse ale acestor trei poluanti, apar situatii de stres chimic. Ozonul este, de asemenea, incriminat pentru participarea indirecta la formarea ploilor acide.