vrije troposfeer)
en ook daar ozonvorming kan veroorzaken.
Wat zijn de grenslaag, vrije troposfeer en stratosfeer?
De grenslaag is een laag lucht net boven het oppervlak
waarin overdag sterke menging optreedt, omdat het
oppervlak dan door de zon wordt verwarmd. Het warme oppervlak
verwarmt de lucht erboven en de warme luchtbellen
daarin stijgen op. De grenslaag is overdag dus
meestal behoorlijk turbulent en wordt gekenmerkt
door een sterke vertikale menging.
De grenslaag heeft meestal een
hoogte van enkele honderden m tot 2 a 3 km.
De hoogte varieert vooral boven land sterk over de dag.
De grenslaag is het dikst in de middag als het oppervlak
al flink opgewarmd is. 's Avonds zakt de grenslaag in
tot een dikte van een paar honderd m. De turbulentie
verdwijnt dan meestal ook, behalve als er er sterke
variaties in de wind zijn (windschering).
Boven zee is de grenslaaghoogte min of meer constant over
de dag, omdat het veel langer duurt om de zee op te warmen
dan het land. Dit komt door de goede menging van warmte
net onder het zeeoppervlak en de grote warmtecapaciteit van
water.
Boven bergen zijn er zoveel vertikale luchtbewegingen dat een
duidelijke grenslaagbovengrens vaak niet te onderscheiden is.
De grenslaag maakt deel uit van de troposfeer, een
luchtlaag die zich uitstrekt van het oppervlak tot
de tropopauze, bij ons op zo'n 10 km hoogte.
De vrije troposfeer is het deel van de troposfeer boven
de grenslaag. Terwijl de grenslaag vaak gedurende
de hele dag turbulent is, geldt dat voor de vrije
troposfeer slechts sporadisch. De vrije troposfeer
is over het algemeen dus een stuk stabieler dan de
grenslaag. Wel vindt er vertikale menging plaats
door opwaarts transport in wolken en neerwaarts transport
in hun omgeving.
Boven de tropopauze bevindt zich de stratosfeer
en de ozonlaag. De stratosfeer is heel stabiel, veel
stabieler dan de vrije troposfeer, met als gevolg dat
er nauwelijks vertikaal transport en vertikale menging
plaatsvindt.
Vervuiling die vanuit de grenslaag in de vrije troposfeer
terecht komt kan dan ook nauwelijks verder vertikaal omhoog
de stratosfeer in. De tropopauze is een barriere voor
vertikaal transport.
Wat is het verschil tussen ozonvorming
in de grenslaag en de vrije troposfeer?
In de vrije troposfeer wordt de hoeveelheid gevormd ozon
naast stikstofoxides (NO en NO2)
vooral bepaald door de hoeveelheid methaan (CH4)
en koolmonoxide (CO).
In de grenslaag zijn de concentraties van hogere
koolwaterstoffen (verbindingen met meer dan 1
koolstofatoom, C; methaan, CH4 valt hierbuiten)
in geval van vervuiling veel groter dan in de vrije troposfeer.
Een van de redenen daarvoor is juist dat ze snel reageren,
(waarbij ozon gevormd wordt). Een van de eindprodukten
van die reacties van hogere koolwaterstoffen, is trouwens
wel weer koolmonoxide.
De levensduur van de meeste hogere koolwaterstoffen
is minder dan enkele uren tot dagen. De levensduur
van koolmonoxide is enkele maanden, die van methaan
5 tot 6 jaar.
Behalve de chemie beperkt ook (droge
)
depositie aan het oppervlak de levensduur van ozon,
stikstoxides en koolwaterstoffen in de grenslaag.
Waarom is de ozonconcentratie aan de grond
(op onbewolkte dagen) meestal het hoogst vlak na de middag?
Doordat ozon uit de atmosfeer wordt verwijderd door depositie
aan de grond en alleen gevormd wordt als de zon schijnt, loopt
de concentratie na zonsondergang terug. s'Morgens na zonsopgang
kan weer nieuw ozon gevormd worden als er voldoende
koolwaterstoffen en stikstofoxide aanwezig is. Het duurt
echter een aantal uren voor de ozonvorming goed op gang komt.
Het gaat natuurlijk het snelst als de zon op zijn hoogste punt
staat rond het middaguur.
Hoe verdwijnt de vervuiling weer uit de atmosfeer?
Zoals gezegd wordt een groot aantal stoffen aan het oppervlak
geabsorbeerd of opgenomen door vegetatie.
De koolwaterstoffen worden reageren uiteindelijk tot kooldioxide
(CO2) wat o.a. oplost in de oceaan of opgenomen
wordt door planten.
Stikstofoxides (NO en NO2) kunnen omgezet
worden in HNO3 wat oplost in waterdruppels
in de wolken en als zure regen naar beneden valt.
Waar komt het stikstofoxide in de vrije troposfeer
en stratosfeer vandaan?
Behalve van bronnen aan de grond zijn er ook bronnen
in de lucht. Bij bliksemontladingen wordt door de hoge
temperatuur lucht ontleed en vormen zich stikstofoxides.
Als bron van stikstofoxides zijn bliksemontladingen
het belangrijkst in de tropen.
Ook worden stikstofoxides door vliegtuigen uitgestoten.
De meeste vluchten vinden plaats op zo'n 8-12 km hoogte.
De emissie door vliegverkeer is een orde kleiner de
emissies van stikstofoxides aan de grond. Toch zijn ze
belangrijk omdat de levensduur van stikstofoxide
ongeveer 1 tot 2 weken is. Bij de grond in sterk vervuilde
gebieden loopt dat terug naar enkele uren.
Hoger in de atmosfeer, in de stratosfeer is het meeste
stikstofoxide afkomstig van lachgas (2) dat
van de grond komt en nauwelijks reageert met andere gassen.
De levensduur in de atmosfeer is 130-150 jaar.
Het wordt naar boven gemengd en valt uiteindelijk
pas op grote hoogte uiteen onder invloed van ultraviolette
straling of reactie met een zuurstofradikaal, waarbij
stikstofmonoxide, NO, gevormd wordt.
Hoe groot is de invloed van de mens?
In het park Mont Souris in Parijs is in de vorige eeuw ozon
gemeten. De gemiddelde concentratie was toen zo'n 10-15 ppb.
Momenteel is de gemiddelde concentratie aan het oppervlak bij
bij ons zo'n 40-45 ppb. Dit betekent dus een verdriedubbeling.
Rond tweederde van de stikstofoxides vlakbij de grond
is door de mens in de atmosfeer gebracht. Op de drukst
bevlogen vliegroute tussen Europa en de Verengde Staten
is op zo'n km hoogte ongeveer de helft van het
stikstofoxide afkomstig van vliegverkeer. Het ozon is daar met
zo'n 3-7 % toegenomen.
In het ozongat boven de Zuidpool wordt in de lente (September)
door chloor van CFK' tussen 18 en 25 km hoogte vrijwel
alle ozon afgebroken. De ozonkolom neemt in het ozongat
af van 300 Dobson
eenheden tot beneden de 100.
Buiten het ozongat op onze breedtes is er sprake van
een geringe dalende trend van ozon in de stratosferische
ozonlaag van ongeveer 2 % per 10 jaar sinds eind zeventiger
jaren. In de tropen waar het stratosferisch ozon
aangemaakt wordt is er nauwelijks sprake van een trend.
Kan het in de troposfeer gevormde ozon het ozongat aanvullen?
De sterkste toename van ozon onderin de atmosfeer is
op het Noordelijk Halfrond op onze breedtes.
De gemiddelde beweging in de stratosfeer (boven ca. 10 km)
is hier neerwaarts. Alleen in de tropen vindt een langzame
gemiddelde opwaartse beweging plaats. Daar vindt
dus transport van lucht van de troposfeer naar de stratosfeer
plaats. Als we hier valk bij het oppervlak een stof zouden
los laten in de atmosfeer, zou het
één tot enkele jaren duren voor die in
het ozongat terecht komt. Dat lukt alleen langlevende stoffen
zoals chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's), lachgas en methaan.
De levensduur van troposferisch ozon is te kort.
Kan het ozon uit de ozonlaag het oppervlak bereiken?
Op onze breedtes is de vertikale beweging in de
stratosferische ozonlaag neerwaarts. Incidenteel
kan er langs weerfronten een ozonrijke laag tot
vlak boven het oppervlak getransporteerd worden.
We spreken dan van een tropopauzevouw
.
Bij ons is het ozon uit de tropopauzevouw zelden waar te
nemen aan de grond. echter in bergachtige gebieden
waar geen duidelijke grenslaag is, kunnen gedurende
enkele uren zeer hoge ozonconcentraties optreden.
De invoer van ozonrijke lucht uit de stratosfeer
bepaalt naast smog-achtige ozonvorming in belangrijke
mate de hoeveelheid ozon in de vrije troposfeer.
Is de toename van ozon in het onderste deel
van de atmosfeer een lokaal probleem of een wereldprobleem?
De levensduur van ozon in het onderste deel van
de atmosfeer (de troposfeer) varieert van enkele dagen
tot enkele weken. De levensduur van stikstofoxides is
enkele dagen. Daardoor verspreid het als gevolg van
stikstofoxides gevormde ozon zich meer dan de
stikstofoxides zelf.
De belangrijkste oorzaak van smog-episodes is lokale
luchtverontreiniging. De achtergrond-concentratie van ozon
is echter ook toegenomen doordat de niet-westerse landen zich
nu sterk ontwikkelen. Daardoor komen we in smog-periodes
makkelijker boven de kritische grenswaarde van ozon.
De economie van sommige Aziatische landen groeit met
meer dan 6 % per jaar. Als er geen maatregelen worden
genomen betekent dat een verdubbeling van de uitstoot daar
in 12 jaar.
Kunnen we niet gewoon vliegtuigen in de stratosfeer
laten vliegen om daar de ozonlaag aan te vullen ?
In de ozonlaag werkt de chemie anders dan
in het onderste deel van de atmosfeer. In de
ozonlaag wordt voortdurend ozon aangemaakt in de tropen,
getransporteerd naar de polen en geleideljk weer afgebroken.
Een van deze langzame afbraak-processen is een reactie
met stikstofoxide. De uitstoot van stikstofoxides door
bijvoorbeeld supersone vliegtuigen als de Concorde
zorgt in de ozonlaag dus voor ozonafbraak.
De hoogte waarop stikstofoxide van een ozonvormende stof
overgaat in een ozonafbrekende stof ligt op ongeveer 15 km.
Andere stoffen die zorgen dat het in de tropische stratosfeer
aangemaakte ozon weer langzaam wordt afgebroken zijn
chloor-, broom-, en jood-verbindingen (halogenen) en
waterstofoxide (OH).
In het ozongat vindt daarnaast in de lente hele snelle ozonafbraak
plaats door chloor in ijswolken onder invloed van zonlicht.
Dit chloor is afkomstig van chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's).
Waarom verloopt de chemie op verschillende hoogtes
verschillend?
Allereerst is het onder in de atmosfeer warmer dan
verder naar boven.
De snelheid waarmee chemische reacties plaatsvinden
hangt af van de temperatuur. Veel reacties verlopen
bij de lagere temperaturen boven in de atmosfeer langzamer.
Ten tweede is hoger in de atmosfeer het ultraviolette
licht van de zon intenser, waardoor een aantal stoffen
uit elkaar vallen. Vervolgens kunnen er dan verdere reacties
optreden die onderin niet plaatsvinden. Voorbeelden zijn CFK's
en lachgas.
Een gevolg is dat stikstofoxide onderin de atmosfeer
meestal leidt tot ozonvorming en boven in de ozonlaag tot
ozonafbraak.
Kun je smog zien?
Aangezien smog fijn stof (kleine deeltjes en druppeltjes)
bevat wordt het vaak heiig.
Het best is een smoglaag te zien als je opstijgt
of landt met een vliegtuig. Als je over de horizon kijkt
zie je dan een duidelijke bruine laag lucht boven het oppervlak
liggen.
Kun je ozon ruiken?
Het woord ozon komt van het Griekse werkwoord voor ruiken,
ozein
.
De Nederlander Martinus van Marum was in 1785 de eerste die
meldde een sterke geur te ruiken na een electrische ontlading
in lucht.
In de buitenlucht is soms ozon te ruiken na een blikseminslag.
De concentratie van ozon in smog is in het algemeen te laag om het
te kunnen ruiken.
Wanneer werd smog voor het eerst waargenomen?
De smog zoals boven beschreven werd voor het eerst waargenomen
in het gebied rondom Los Angeles in de jaren veertig van de vorige eeuw.
In de vijftiger jaren ontdekte Arie-Jan Haagen Smit dat deze
vervuiling door ozon werd veroorzaakt.
Luchtvervuiling kwam echter al veel eerder voor, eigenlijk vanaf het moment
dat het vuur door de mens werd uitgevonden.
Waar komt het woord smog vandaan?
Het woord smog is een samenvoeging
van de Engelse woorden smoke (rook) en fog (mist). Londen was in de dertiende eeuw een van de eerste steden waar steenkool werd gebruikt om de huizen te verwarmen (bij gebrek aan hout) en de
daarbij gevormde rook leidde tot een sterke vermindering van het zicht.
