Рассказываем о роли озона в атмосфере, чем он опасен и где его могут использовать на благо человека.
Источник: Freepik
Что такое озон?
Озон — это вещество, которое состоит из трех связанных атомов кислорода (его химическая формула — O3). В зависимости от температуры оно может существовать в трех химических состояниях: жидком, твердом и газообразном. По мере охлаждения бледно-голубой газ превращается сначала в темно-синюю жидкость, а потом и в иссиня-черные кристаллы.
В природе химическое вещество встречается в газообразном состоянии, при этом концентрация озона в воздухе совсем небольшая: примерно 0,6 части на миллион по всему объему атмосферы планеты. Для сравнения: содержание углекислого газа в воздухе на тот же объем — 400 частей.
Считается, что озон открыл немецкий ученый Кристиан Фридрих Шёнбейн в 1839 году. Химик пытался разобраться в природе запаха, который появлялся в воздухе после ударов молнии. Шёнбейн доказал, что источник запаха — вовсе не электричество, как было принято считать ранее, а вещество, которое образуется в ходе взаимодействия воздуха и электричества. Ученый назвал открытое соединение озоном, от древнегреческого слова ozein — «пахнуть».
И хотя вначале озон был интересен лишь узкому кругу исследователей, сегодня важность вещества очевидна: его применяют в различных сферах, а еще именно он ответственен за зарождение жизни на планете.
Получение озона
Образование озона может осуществляться в контролируемых условиях. В промышленных масштабах его получают с помощью озонаторов — специальных устройств для генерации этого газа. Принцип работы таких машин прост, по сути, они пропускают разряды электрического тока через кислород, в результате чего и получается озон.
Еще один популярный метод получения озона — облучение кислорода ультрафиолетовыми лучами (схожие процессы приводят к его появлению в природе, в верхних слоях атмосферы).
Озон образуется и в результате некоторых химических реакций, при разложении перекисей и окислении фосфора. Взаимодействие охлажденной концентрированной серной кислоты с пероксидом бария — один из популярных методов получения озона в лабораторных условиях.
Озон в атмосфере
Атмосфера — газовая оболочка — есть у многих небесных тел, только в Солнечной системе она присутствует у 8 планет и более 160 спутников. Однако несмотря на это, пригодный для жизни состав воздуха и погодные условия (которые во многом формируются именно благодаря атмосфере) формировались только на Земле. И все благодаря озону. Расскажем об атмосфере нашей планеты подробнее.
В атмосфере Земли снизу вверх выделяют пять основных слоев:
тропосферу (12 км от поверхности);
стратосферу (12−50 км от поверхности);
мезосферу (50−80 км от поверхности);
термосферу (80−700 км от поверхности);
экзосферу (700−10 000 км от поверхности).
Большая часть озона (около 90%) сосредоточена в стратосфере, на высоте между 20 и 40 км. Благодаря этому условию вокруг Земли сформировалась атмосфера, подходящая для того, чтобы человек мог дышать. Дело в том, что соединения озона формируют спасительный для природы озоновый слой. При воздействии ультрафиолетового излучения молекулы кислорода, которые находятся в воздухе на уровне стратосферы, распадаются на два атома. Получившиеся частицы вступают в реакцию с другими молекулами, объединяясь с ними в новое соединение — озон.
Формирующийся в результате этого химического процесса озоновый слой блокирует опасные для живых организмов ультрафиолетовые лучи.
Однако озон может находиться и ниже, в тропосфере. И если газ находится там, то он становится токсичен для природы. Озон низко в воздухе классифицируется как загрязнитель, опасный для людей, животных и растений. Дело в том, что озон является основным компонентом смога. Обычно он образуется в результате взаимодействия оксидов азота и клеточных соединений, которые попадают в воздух в результате промышленных выбросов и выхлопных газов от машин (из-за этого смога особенно много в больших городах, например в Москве). Процесс также ускоряется под воздействием солнечных лучей. Так называемый озоновый смог способствует усилению парникового эффекта и приводит к увяданию сельскохозяйственных культур (потери в этом секторе по всему миру из-за смога ежегодно оцениваются в $11−18 млн).
Что делать для снижения озонового загрязнения?
Озон известен своей токсичностью. В России он отнесен к первому классу опасности вредных веществ. Концентрация озона в воздухе, особенно в крупных городах, таких как Москва, постоянно контролируется. И если допустимый процент повышается, дышать таким воздухом будет опасно для здоровья человека. Так, предельно допустимая концентрация озона в атмосферном воздухе составляет 0,16 мг на кубический метр, а в воздухе рабочей зоны — 0,1 мг.
Озон в воздухе действительно вреден, его воздействие на организм проявляется не сразу. Вот чем опасен озон для тела человека:
увеличивается риск развития сердечно-сосудистых заболеваний;
увеличивается риск развития болезней дыхательных путей;
озон может вступать в реакцию с холестерином внутри организма, в результате чего появляются образования, приводящие к развитию атеросклероза.
Особенно ядовитым действие озона оказывается для пациентов с астмой, детей и пожилых граждан.
Сегодня проблеме озонового загрязнения и смога активно противостоят. Как уже было сказано выше, количество «яда» в воздухе постоянно контролируют, причем с каждым годом используют все более совершенные системы мониторинга качества воздуха. В России с 2023 года ведется работа над созданием высокоточной системы отслеживания токсичности воздуха, которая также позволяет (в отличие от прошлых аналогов) находить источники загрязнения воздуха в городах в режиме реального времени.
Помимо этого в некоторых мегаполисах ведется работа над созданием зон с низким уровнем выбросов вредных газов в воздух. Так, в Лондоне применяется система, по которой в некоторых районах взимается дополнительная плата за использование автомобилей и других транспортных средств, чья эксплуатация превышает допустимый уровень вредных выбросов. Это позволило сделать воздух более подходящим, чтобы дышать: выбросы ядовитого диоксида азота, из которого под воздействием ультрафиолета образуется токсичный озон.
Еще один способ сократить загрязнение озоном — озеленение города. В Москве регулярно проводят подобные мероприятия, в том числе для того, чтобы снизить вред от постоянных выбросов в воздух. С теми же целями администрации мегаполисов мотивируют граждан пользоваться велосипедами и общественным транспортом — сократить токсичность воздуха, которым дышат люди. Так, Париж должен стать полностью велосипедным городом к 2026 году.
Комплекс описанных мероприятий помогает контролировать ядовитые образования и постепенно сокращать их количество в воздухе, чтобы снизить вред, который наносит человеческому организму проживание в городской среде.
Попытки практического применения озона
Несмотря на вред озона, который в больших количествах является ядом для человеческого организма, долгое время он считался полезным и использовался в нетрадиционной медицине. В ней появилось целое направление, посвященное этому методу: озонотерапия. Это вид физиотерапевтического лечения, при котором на человека с помощью озонаторов (устройства для получения озона) воздействуют ядовитым газом. Якобы такое лечение может быть полезно для пациентов с:
гепатитом В;
рассеянным склерозом;
ВИЧ и другими серьезными недугами.
Однако доказательств того, что процедуры с озоном могут быть полезны, мало. Американские исследования подтвердили, что у озонотерапии нет доказанной эффективности при лечения каких-либо заболеваний, контакт с озоном и вовсе может быть опасен, так как газ-яд оказывает канцерогенное и токсическое воздействие. Это означает, что его влияние на организм скорее негативное, что подтверждают множественные случаи, когда здоровье пациентов ухудшилось после лечения: с 1975 по 1983 год в Германии было зафиксировано два случая аритмии, четыре случая нарушения зрения и шесть смертей в результате «полезных» процедур.
Еще один неудачный пример использования озона, а точнее жидкого озона, — создание ракетного топлива на его основе. Ученые много лет пытались придумать, как использовать жидкий озон для запуска самолетов и ракет. В теории вещество может стать экологически чистым и высокоэнергетическим окислителем, который поможет сократить вред космических полетов для природы. Энергии, которая выделяется при реакции сгорания с озоном, в четыре раза больше, чем с кислородом. Другие преимущества:
большая плотность жидкого озона;
более высокая температура кипения.
Несмотря на то что жидкий озон хорошо подходит для создания ракетного топлива, он до сих пор не используется в этой сфере. Ограничения в применении связаны с тем, что вне зависимости от окружающих условий жидкий озон может внезапно воспламениться. Эта особенность делает материал слишком нестабильным для подобного применения.
Для чего же используют озон?
Прежде всего газ используется для очистки и уборки, ведь озон — сильный окислитель, а также яд для плесени и бактерий. Как окисляющий реагент озон помогает стерилизовать изделия медицинского назначения, отбеливать бумагу и даже очищать масла.
Вторая особенность озона делает его эффективным дезинфицирующим средством. Его противомикробное действие популяризировало использование как средства для очистки воздуха, одежды, помещений и воды. Процесс обработки вещей озоном называется озонированием, а его преимущества особенно хорошо заметны на примере очистки водных ресурсов. Помимо того что озон быстро уничтожает все известные микроорганизмы, в том числе вирусы и бактерии, он действует в 300−3000 раз быстрее аналогов. Озон не приводит к формированию в обработанной жидкости токсинов (кроме формальдегида), а также не изменяет кислотность воды. Это означает, что в ней сохраняются все необходимые для человека микроэлементы. Однако у так называемого озонирования есть и минусы: вред озона для здоровья и его разрушительное влияние на организм, а также высокая стоимость озонатора и как следствие — самой процедуры.
Несмотря на это польза у озонирования большая: воздействие озона, помимо прочего, помогает увеличить срок хранения скоропортящихся продуктов и избавиться от плесени и гнили.