Když ozon škodí

„Odpočiňme si od města, vyjeďme si do hor a nadýchejme se ozonu!“ slýcháme často. Do jaké míry ale taková relaxace prospívá našemu organizmu? Nějaký čas byl „tématem dne“ úbytek ozonové vrstvy, později na něj navázaly otázky vzrůstajících koncentrací skleníkových plynů a globální změny klimatu. K nim se přidal nárůst koncentrací škodlivého přízemního ozonu, a to i ve střední Evropě.

Vedle ozonu ve stratosféře, který Zemi chrání před nebezpečným ultrafialovým zářením, a je tedy pro nás existenčně důležitý, se potýkáme s ozonem troposférickým, který má negativní toxické účinky jak na rostliny, tak na živočichy včetně člověka. Ozon vzniká v důsledku přirozené vlastnosti atmosféry oxidovat stopové prvky. Jeho prvotním zdrojem je kyslík. V troposféře se pak na jeho vzniku podílí komplex fotochemických reakcí oxidů dusíku, uhlovodíků a následnou reakcí s oxidem uhelnatým. Důsledkem zvýšené koncentrace ozonu na lidské zdraví bývají nejen bolesti hlavy a pálení očí, ale i plicní edémy, astma, záněty průdušek apod. Závažné jsou také účinky ozonu na vegetaci (obrázek 1) – degenerativní změny a fytotoxicita projevující se žlutavým chlorotickým tečkováním nebo skvrnami, popřípadě načervenalým povrchem. Fotosyntéza je dočasně omezena, tudíž rostliny dorůstají menší velikosti, u důležitých hospodářských plodin, jako jsou obilniny, jetelina, vinná réva, tabák, fazole, slunečnice, čínský salát či lilek, se zpomaluje růst listů. Nejde ale jen o zemědělství, ohroženy jsou celé lesní ekosystémy.

Tvorba přízemního ozonu

Spouštěcími mechanizmy pro tvorbu přízemního ozonu jsou globální radiace, teplota, délka slunečního svitu, množství a vzájemný poměr látek podporujících vznik ozonu, nadmořská výška a stav celkového ozonu. V polárních oblastech k tomu v zimním tmavém období přistupují atmosférické aerosoly, fotochemie sněhu a dálkový přenos polutantů. Jak který mechanizmus působí?

• Globální radiace. Z analýzy dat pořízených v modelovém území jihozápadních Čech za období 1998–2005 byla prokázána těsná závislost mezi přízemním ozonem a globální radiací na horských stanicích. Ve vyšších nadmořských výškách tak pravděpodobně při oslabení ozonové vrstvy vznikají dlouhodobé vysoké koncentrace, a tím pak vzrůstá globální radiace ve spodní části atmosféry.
• Teplota. Nepříjemně se potvrdila i skutečnost, že v letních dnech, kdy je překročena průměrná teplota 30 °C, vzrůstají průměrné koncentrace ozonu o 40 až 50 µg/m³. Nahorách je pak z 90 % překročen evropský limit 110 µg/m³. Průměrná denní koncentrace např. na Churáňově (1118 m n. m.) byla 134 µg/m³, na Přimdě (740 m n. m.) 119 µg/m³ (obrázek 4). V takových dnech bychom si měli rozmyslet, jestli půjdeme na procházku, neboť studie ¹⁾ Světové zdravotnické organizace z roku 2003 upozorňuje na škodlivé účinky troposférického ozonu již při překročení koncentrace 100 µg/m³ (viz též obrázek tab. I).
• Nadmořská výška. S rostoucí nadmořskou výškou stoupají koncentrace přízemního ozonu, a tedy i zatížení vegetace. Potvrzují to i výsledky z jihozápadních Čech. Zatímco na Churáňově a Přimdě jsou průměrné roční koncentrace 80 µg/m³ a 66 µg/m³, v Plzni a Českých Budějovicích (pod 400 m n. m.) jenom 48 µg/m³. Počet dnů, kdy byl během osmiletého období překročen imisní limit, je v horách šokující: na Churáňově 390 dní (více než 1 rok z osmi zkoumaných), na Přimdě 207 dní. Naproti tomu v Prachaticích (583 m n. m.) to bylo jen 34 dní, v Plzni a Českých Budějovicích pod 30 dní.
• Oxidy dusíku. Tyto oxidy tvorbu přízemního ozonu podporují. Souvisí to zejména s extrémními koncentracemi přízemního ozonu v letním období na městských a středně položených stanicích, ale volněji i s radiací. Troposférický ozon záhy reaguje s oxidem dusnatým, takže koncentrace přízemního ozonu zůstávají nízké, pokud neklesne i koncentrace oxidu dusnatého. Proto se udržují nízké koncentrace přízemního ozonu v okolí dálnic a v centrech měst, zatímco směrem k předměstí se rychle zvyšují.
• Stratosférický ozon. Zvýšená tvorba troposférického ozonu se vztahuje hlavně na oblasti s vyšší nadmořskou výškou a zároveň nepřímo ovlivněné lidskou činností. Do jaké míry tedy může být příčinou vysokých koncentrací v těchto místech stratosférický ozon? Analýzy potvrdily, že ve dnech zvýšených koncentrací přízemního ozonu byl v 88 % stav celkového ozonu podprůměrný! Nejtěsnější závislost vykazovaly horské stanice, a to v červenci, kdy s klesajícím stavem celkového ozonu závislost mezi přízemním a celkovým ozonem roste. Lze tedy předpokládat, že v těchto měsících vzrůstá transport ozonu ze stratosféry a hromadí se ve výše položených lokalitách. Smutnou skutečností je, že v sledovaném období 1998–2005 byl nad Českou republikou v 58 % dní podprůměrný stav ozonové vrstvy ve stratosféře (obrázek 3). Může to být jednou z příčin, proč se Česká republika vyskytuje v oblasti s největšími koncentracemi ozonu v přízemní vrstvě – troposféře.

Roční chod stratosférického a troposférického ozonu

Kdy je nejméně vhodné vystavovat se na horách vysokým koncentracím přízemního ozonu? Z datových řad známe typický roční koloběh jeho výskytu, ale klimatické podmínky jsou v každém roce a v každém regionu trochu jiné. Maxima koncentrací přízemního ozonu připadají nejčastěji na duben až květen a minima na říjen až listopad. Přibližně to ročnímu chodu stratosférického ozonu v našich zeměpisných šířkách odpovídá. V posledním desetiletí se ale dlouhodobé maximum posunulo na březen a je o více než 10 Dobsonových jednotek nižší (zhruba o 3 %). Právě v březnu ovšem bývá na severní polokouli podprůměrný stav ozonové vrstvy, spojený s nejvyššími koncentracemi oxidů dusíku. Dalšího maxima dosahuje přízemní ozon v červenci až srpnu.

Ve všech stanicích se potvrdilo, že koncentrace bývají během jarního období průměrně o 18 µg/m³ vyšší než roční průměr, a průměrná koncentrace na stanici Churáňov se mezi dubnem a červnem šplhá na 97 µg/m³, v mimořádně slunném a teplém roce 2003 dosáhla v těchto měsících dokonce 105 µg/m³. Je alarmující, jestliže průměrná tříměsíční hodnota překročí mez uváděnou na ochranu lidského zdraví. A jaký vliv to má na lesní ekosystémy?

Jestliže je zjara jasno, v nadmořských výškách nad 1000 m n. m. musíme se zvýšenými koncentracemi přízemního ozonu počítat. Jarní šestihodinová procházka za slunečného počasí po horských hřebenech nám tedy v tomto období může (podle Světové zdravotnické organizace) uškodit. Totéž platí v létě při teplotách nad 30 °C, na horách nad 20 °C.

Ozon součástí globální změny klimatu Dlouhodobé změny množství atmosférických skleníkových plynů a aerosolů, slunečního záření a vlastností zemského povrchu mění také energetickou bilanci klimatického systému vyjádřenou radiačním působením (obrázek 2). Koncentrace troposférického ozonu se v důsledku nárůstu emisí chemických látek vytvářejících ozon (oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, uhlovodíků) posunula z průměrných 25 ppb ²⁾ před rokem 1750 na současných 34 ppb. ³⁾ Ke globálnímu radiačnímu působení přispívá ozon zhruba 0,35 W na metr plochy. Údaje, které známe, naznačují, že se hladina světového troposférického ozonu oproti předprůmyslové době zdvojnásobila! Tento vzrůst je ale ve srovnání s nárůstem oxidu uhličitého a metanu těžší kvantifikovat, neboť ozon je velmi reaktivní plyn, nezůstává zachován v ledovcových jádrech, a tak nemáme k dispozici dlouhodobou řadu jeho koncentrací. V důsledku toho, že neustále prochází tvorbou a destrukcí, se jeho koncentrace mění jak v geografickém, tak v časovém měřítku. Měření na různých stanicích ve světě ukazují, že koncentrace troposférického ozonu v globálním měřítku vzrůstaly více v sedmdesátých letech minulého století než v letech osmdesátých a devadesátých.

Mnohem víc to odnáší severní polokoule

Podle modelů vzrostla zátěž severní polokoule o 80 %, zatímco zátěž jižní polokoule „jenom“ o 50 %. Nejprudší vzrůst zátěže byl zaznamenán ve středních zeměpisných šířkách severní hemisféry, a to především ve vyšších nadmořských výškách (obrázek 4). Střední Evropa je tedy jednou z nejzatíženějších oblastí světa!