2.1 Složení vzduchu a jeho základní vlastnosti

           Člověk může žít asi 5 týdnů bez potravy, 5 dní bez příjmu vody, ale pouhých 5 minut vydrží nedýchat. Plícemi člověka projde za den 8 500 – 14 000 litrů vzduchu.

           Vzduch, který dýcháme, má různé složení v závislosti na prostředí, ve kterém se pohybujeme. Vzduch v krásné přírodě se výrazně liší od toho na rušné křižovatce. Kvalita ovzduší může výrazně ovlivňovat naše zdraví. Nečistoty, které mohou být jedovaté, se při dýchání dostávají přímo do plic.

 

2.1.1 Historie zemské atmosféry

          Prvotní atmosféra čerstvě vzniklé planety Země měla zcela jiné chemické složení než atmosféra současná. V atmosféře tehdy převažovaly: oxid uhličitý (CO₂ - dominantní plyn prvotní atmosféry), methan (CH₄) a vodní pára (H₂O) coby směs magmatických plynů, které se uvolnily z odplynění rozžhaveného povrchu planety. Kromě těchto plynů obsahovala pozemská atmosféra dále minoritní plyny: amoniak (čpavek NH₃), sirovodík (H₂S) a vodík (H₂). Atmosféra tohoto chemického složení by byla pro život v dnešní podobě smrtelná. První primitivní organismy (fotosyntetizující sinice) vznikly ve vodě, kde začaly s produkcí atmosférického kyslíku, jenž byl do té doby v atmosféře pouze vzácným plynem. Díky fotosyntéze se začal do atmosféry jako odpadní plyn dostávat pro většinu tehdejších životních forem jedovatý kyslík.

          Klíčovou úlohu v prvotní atmosféře hrál plynný vodík (H₂) - ihned reagoval s kyslíkem (na H₂O) a tak chránil první organismy, pro které byl O₂ jedovatý. Postupnou činností zelených rostlin došlo k přetvoření atmosféry v její dnešní podobu, kdy je kyslík jedním z hlavních prvků ve složení vzduchu (21 %). Volný kyslík v horních vrstvách atmosféry reagoval s dopadajícím slunečním zářením, čímž došlo k jeho přeměně na ozón (O₃). Vznikla tak vrstva, která zabraňovala dopadu škodlivého UV-záření na povrch Země, což umožnilo rozšíření života i mimo oblasti oceánů.           

          Rozšířením života se na Zemi začal do atmosféry uvolňovat i další plyn – dusík (N₂)- který vznikal jako výsledek rozkladu organických látek. Ve chvíli, kdy se v atmosféře začala zvyšovat koncentrace kyslíku, znamenaly změněné podmínky zase ochranu Země před možným vyschnutím – volný plynný vodík zreagoval v atmosféře s kyslíkem a molekuly vody již dokázala gravitace udržet, takže neunikly do kosmu.

 

2.1.2 Současné chemické složení atmosféry Země

           Atmosféra Země je členěna z mnoha hledisek. Po chemické stránce jsou důležitá tato rozdělení:

Podle chemického složení vzduchu rozdělujeme atmosféru Země na:

· Homosféru – vrstva atmosféry, v níž se složení vzduchu v důsledku jeho intenzivního vertikálního promíchávání s přibývající výškou prakticky nemění.

· Heterosféru – intenzita vertikálního promíchávání vzduchu slábne a s přibývající výškou ubývá těžších plynů.

 

Suchá a čistá atmosféra má v blízkosti zemského povrchu toto složení (chybí zde vodní pára):

 

Plyn	Chemická značka	% objemu vzduchu
dusík	N2	78,084
kyslík	O2	20,948
argon	Ar	0,934
oxid uhličitý	CO2	0,039
neon	Ne	0,001 818
hélium	He	0,000 524
metan	CH4	0,000 200
krypton	Kr	0,000 114
vodík	H2	0,000 050
oxid dusný	N2O	0,000 050
xenon	Xe	0,000 009
oxid siřičitý	SO2	0 až 0,000 100
ozón	O3	0 až 0,000 007
oxid dusičitý	NO2	0 až 0,000 002
čpavek	NH3	stopy
oxid uhelnatý	CO	stopy
jód	J2	stopy

 

2.2 Význam vybraných plynů a látek pro život rostlin a živočichů

2.2.1 Dusík a jeho koloběh v přírodě

          Nejvíce je v atmosféře obsaženo dusíku N₂. Jeho působení a využití nejlépe dokumentuje koloběh dusíku v přírodě. Ten popisuje výměnu dusíku a jeho sloučenin mezi atmosférou, biosférou a litosférou. Dusík, který je v atmosféře obsažen asi ze 78 %, je zpracováván specifickými druhy bakterií (nitrifikační bakterie žijící v symbióze s kořeny bobovitých rostlin). Samotný dusík jsou schopny vázat i volně žijící bakterie a sinice žijící v půdě a vodě.

          Většina organismů může přijímat dusík pouze v anorganické formě především rostliny (amoniak, dusitany, dusičnany) nebo v organické formě živočichové (močovina, bílkoviny). Dusík je významný jak pro rostliny, tak pro živočichy. Po přijetí rostlinami se stává součástí jejich bílkovin a nukleových kyselin. Po jejich odumření je mineralizován a přeměněn na amoniak.

           Dusík z rostlin ve formě bílkovin a nukleových kyselin je využit živočichy (včetně člověka) - konzumenty, kteří dusík následně vyloučí rovněž ve formě amoniaku, močoviny a dalších organických látek. Ty jsou opět přeměněny na amoniak.

           Amoniak vzniklý jak tlením rostlin, tak vzniklý vyloučením z těl živočichů je činností bakterií a řas přeměněn na dusičnany. Dusičnany jsou pak dále redukovány na molekulární dusík, který se vrací do ovzduší. Za zpětné uvolňování plynného dusíku do atmosféry jsou opět z větší části odpovědné bakterie. Do koloběhu dusíku významně (negativním způsobem) zasahuje člověk. Dusík se dostává do atmosféry ve formě oxidů a to např. prostřednictvím emisí vznikajících při spalovacích procesech.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.6 Koloběk dusíku

2.2.2 Kyslík a jeho koloběh v přírodě

            Koloběh kyslíku v přírodě je jedním ze základních biogeochemických cyklů. Nejvíce kyslíku je v zemské kůře. Jedná se o kyslík vázaných ve formě oxidů - minerály. V atmosféře se kyslík vyskytuje převážně jako molekula O₂, a dále ve formě vody a různých oxidů uhlíku, dusíku, síry. Hlavním zdrojem kyslíku je fotosyntéza, při které suchozemské i mořské autotrofní organismy kromě syntézy organických látek z CO_{2  (cukry)} produkují odpadní látku kyslík. V atmosféře je kyslík přítomen i v důsledku fotodisociace vody (rozklad vody působením světla). Kyslík z atmosféry je spotřebováván např. dýcháním (respirací) organismů, rozkladem odumřelé biomasy, zvětráváním, přirozenými požáry a v důsledku lidské činnosti - spalováním fosilních paliv.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.7 Koloběh kyslíku

 

Fotosyntéza

S koloběhem kyslíku v přírodě souvisí děj, bez kterého by nebyl možný vznik kyslíku a tedy i života na naší Zemi. Z hlediska fyziky je fotosyntéza děj, při kterém si rostliny vyměňují látky a energii se svým okolím. V listech rostlin se část energie slunečního záření (jen asi 1 - 2 %) mění na chemickou energii, která se ukládá do molekul glukózy (cukru).

Fotosyntéza je velice komplikovaný a složitý biochemický proces probíhající v chloroplastech rostlinných buněk. Ty jsou schopné dopadající světlo absorbovat. Výchozí látky fotosyntézy jsou anorganického původu. Jedná se o oxid uhličitý, jehož zdrojem je vzduch a voda pocházející z půdy. Tyto látky jsou z energetického hlediska poměrně chudé. Přesto jsou rostliny ve svých chloroplastech pomocí působení světla schopny z těchto látek vytvářet energeticky mnohem bohatší organickou látku – glukózu. Energeticky bohatá glukóza (cukr) se následně přeměňuje na látky potřebné k růstu rostliny. Druhou látkou vznikající při fotosyntéze je kyslík. Kyslík O₂, uvolňovaný do vzduchu, dýchají všechny živé organismy.

I když je fotosyntéza složitý a ne úplně objasněný biochemický děj, můžeme ji zjednodušeně popsat chemickou rovnicí:

6CO₂ + 12H₂O + světlo ----> C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.8 Fotosyntéza

 

2.2.3 Koloběh uhlíku v přírodě

          Koloběh uhlíku v přírodě zahrnuje výměnu uhlíku mezi atmosférou (CO₂, CO, CH₄), hydrosférou (rozpuštěný CO₂ a organická hmota), biosférou (organická živá i neživá hmota) a zemskou kůrou (výskyt uhlíku v sedimentech, jako je např. vápenec, dolomit nebo magnezit, a ve fosilních palivech). V atmosféře je uhlík převážně ve formě oxidu uhličitého.

          Uhlík se přirozeně vyskytuje také jako methan a oxid uhelnatý. V důsledku lidské činnosti se objevuje v atmosféře v podobě oxidu uhličitého, oxidu uhelnatého, methanu, apod. Do atmosféry se oxid uhličitý dostává dýcháním organismů, uvolněním z oceánů, rozkladem biomasy, přeměnou hornin, při vulkanických procesech a přirozených požárech. Z antropogenních vlivů významně ovlivňuje množství CO₂ ve vzduchu spalování, ať už dřeva, nebo fosilních paliv, a také odlesňování. Z odumřelé biomasy se do atmosféry část uhlíku nevrací. Stává se součástí sedimentů na dně oceánů (tzv. uhlíková biologická pumpa). Z atmosféry je naopak odčerpáván při procesu fotosyntézy, kdy rostliny

           Koloběh uhlíku je klíčem k pochopení změn zemského klimatu. Existují tři velké aktivní rezervoáry uhlíku: atmosféra, pevnina a oceány. Uhlíkový cyklus tvoří komplikovaný geo-biologicko-chemický celek, nemůžeme se tedy omezit pouze na zkoumání jediné složky, třeba oxidu uhličitého, musíme vystopovat uhlík ve všech sférách. Zhruba platí, že polovina dnešních celkových emisí CO₂ zůstává v atmosféře a zbylá polovina skončí v oceánech a na pevnině. Zatímco měření koncentrace uhlíku v atmosféře je poměrně přesné, zjišťování, kolik uhlíku je v půdách a kolik v oceánu, je zatíženo nejistotami. Mezi atmosférou a oceány se oběma směry vymění asi 90 Gt uhlíku ročně.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 9 Koloběh uhlíku

 

2.3 Důsledky lidské činnosti na kvalitu ovzduší kolem nás

 2.3.1 Skleníkový efekt

           Skleníkový efekt je přirozený, přírodní jev nezbytný pro udržení teploty optimální pro život na Zemi. Existuje a působí díky tzv. skleníkovým plynům (H₂O, CO₂, CH₄, N₂O). Tyto tzv. skleníkové plyny mají schopnost absorbovat a zadržet tepelné záření ze slunce a bránit tak jeho odrazu zpět do vesmíru. Z výše uvedeného plyne, že na koncentraci skleníkových plynů v atmosféře závisí, nakolik se ohřívá atmosféra a nakolik se od atmosféry zpětně ohřívá zemský povrch.

           Bez výskytu přirozených skleníkových plynů by průměrná teplota při povrchu Země byla −18 °C. Na Zemi existuje významná hydrosféra a biosféra reagující na vyšší teploty rychlejším pohlcováním oxidu uhličitého z atmosféry (rychlost účinku se pohybuje v řádu stovek let). Tyto regulační mechanismy fungují už po mnoho stovek miliónů let, jinak by vlivem zvyšování teploty stárnoucího Slunce došlo k podobnému jevu jako na Venuši - přehřátí planety na teplotu neslučitelnou se životem. Největší producenti CO₂ (nejvýznamnějšího skleníkového plynu) ª vulkány.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 10 Skleníkový efekt

 

2.3.2 Ozónová vrstva

            S kvalitou našeho životního prostředí souvisí i tzv. ozónová vrstva.

Ozon vzniká při štěpení molekuly kyslíku O₂ na volné atomy a ty se pak dále slučují s dalšími molekulami O₂

podle rovnice O₂ + O ↔ O₃.

Ozon je velmi nestabilní a poměrně rychle se rozkládá na kyslík O₂. Při teplotě 20° C, tlaku 101,3 kPa je poločas rozpadu 45 minut. Při teplotě 30° C a stejném tlaku je poločas rozpadu ozonu jen 20 minut.

Ozon je plyn s charakteristickým zápachem. Někdo jej může nazývat i vůní. Ozon cítíme ve vzduchu po typické letní bouřce. Lidský čich je na tuto vůni obzvláště citlivý a je proto schopen zaregistrovat již i velmi malé a naprosto neškodné koncentrace ozonu ve vzduchu.

V závislosti na tom, ve kterých částech atmosféry se ozon nachází (stratosféra, přízemní vrstva troposféry), může pozitivně či negativně ovlivňovat živé organismy.

Stratosférický ozon vzniká působením UV záření. Paprsky UV záření naráží na molekuly kyslíku a rozbíjejí je na dva atomy kyslíku. Volné atomy kyslíku reagují s molekulou kyslíku O₂ a vytvářejí molekuly ozonu O₃. Velké množství kyslíku v atmosféře tedy při této reakci téměř zcela pohlcuje škodlivé UV záření.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.11 Schéma vzniku ozónu ve stratosféře

Také samotné molekuly ozonu pohlcují UV záření, přičemž se opět dělí na molekulu kyslíku O₂ a volný atom kyslíku O. Volný atom kyslíku se váže na další O₂ a celý cyklus se uzavírá. Při tomto cyklu je pohlcováno podstatné množství UV záření, které je přeměňováno na teplo.Vznikající ozon je těžší než vzduch, klesá a dochází k jeho postupnému rozpadu. Za normálních podmínek jsou procesy vzniku a rozpadu ozonu v naprosté rovnováze.

Významnou roli v procesech kolísání mocnosti ozonové vrstvy hraje cirkulace vzduchu nad polárními oblastmi v době polární noci.

Ochranná vrstva ozonu se chová jako filtr. Absorbuje podstatnou část UV záření v oblasti UV záření o vlnové délce 250 nm a představuje účinnou ochranu rostlin a živočichů na zemi před tímto zářením.

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.13 Schéma vzniku přízemního ozónu

          Přirozená rovnováha mezi procesy vzniku a zániku stratosférického ozonu bývá narušena lidskou činností. Úbytek stratosférického ozonu v důsledku působení například oxidů dusíku, které se do atmosféry dostávají z motorů letadel, byl poprvé pozorován na počátku sedmdesátých let. Snížené množství ozonu ve stratosféře je však spojován především s produkcí tzv. fluorochlorouhlovodíků (FCC) - freonů.

Přízemní ozon vzniká složitou chemickou reakcí, kterou musí doprovázet intenzivní sluneční záření. Vyskytuje se v troposféře, nad úrovní terénu. Říká se mu také fotochemický smog.

Ke vzniku ozonu jsou potřebné např. i oxidy dusíku, které jsou obsaženy ve výfukových plynech automobilů, proto se zvýšený výskyt fotochemického smogu přičítá zejména rozvoji automobilismu. Ozon ovšem vzniká například i v blízkosti rafinérií.

Při delším pobytu v místech se zvýšenou koncentrací ozonu (nad cca 350 µg/m³) se dostavuje pálení očí, v nosu a v krku, v některých případech i tlak na hrudi, kašel a bolest hlavy.

Nejvíce citliví jsou na ozon lidé, kteří mají zdravotní obtíže, jako je astma, chronické problémy dýchacích cest a nemoci oběhové soustavy. Při vdechování větší koncentrace ozonu dochází k poškození řasinkového epitelu průdušek

 

2.3.4 Emise, imise, transmise

          Slovo emise pochází z latinského slova e-mitto, znamenající vysílám, vydávám nebo vypouštím. V dnešní době se nepoužívá pouze v souvislostech s kvalitou ovzduší a nese s sebou mnoho významů z různých oborů. V oboru hygieny a ekologie slovo emise vyjadřuje uvolňování polutantů do ovzduší. Pro bližší upřesnění jsou rozlišovány termíny primární (Látky vyloučené přímo z jejich zdroje do ovzduší.) a sekundární emise (Skupina látek vytvářených v atmosféře. Vznikají prostřednictvím reakcí mezi jednotlivými znečišťujícími látkami.). Nejznámější z těchto sekundárních emisí jsou ty, při jejichž reakcích vzniká tzv. fotochemický (dnes také označovaný jako letní) smog.

          Přenos látek – emisí v atmosféře se nazývá transmise. Transmise jsou pak uvolňovány do prostředí v podobě imisí.

          Imise se neměří u zdroje znečištění, ale u jeho příjemce – například tedy na nějakém běžném místě, kde se pohybují lidé a dýchají vzduch. Imise se ukládají v půdě, rostlinách a organismech. Imise se dělí do tří základních skupin – na pevné (tuhé) imise, plynné imise (oxidy dusíku, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, oxid siřičitý atd.) a radioaktivní imise.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 13 Emise, imise, transmise

 

2.3.5 Smog

           Smog je specifickým typem imisí. Tento termín vznikl spojením anglických slov smoke (kouř) a fog (mlha). Jde o spojení tuhých imisí, plynných imisí a sekundárních imisí, které společně vytvářejí celkové chemické znečištění atmosféry. Tento termín označuje také mimořádné znečištění ovzduší při nepříznivých meteorologických podmínkách. V ovzduší se hromadí škodliviny, až jejich koncentrace převýší přípustné hodnoty. Trvá-li taková situace delší dobu, může mít nepříznivý vliv na zdraví obyvatel.

Existují dvě zásadně odlišné formy smogu, mezi nimi ovšem může být mnoho přechodných  typů.

Londýnský smog, jinak nazývaný také redukční typ smogu. Jde o směs kouře, oxidů síry a zplodin spalování uhlí v kombinaci s vysokou relativní vlhkostí vzduchu. Je doprovázen hustou mlhou. Škodlivost plynných součástí je zvyšována přítomností popílku, který umožňuje jejich proniknutí do dolních cest dýchacích. Tento typ smogu dosahuje maxima časně ráno, za teplot od 0 do 5°C.

Losangelský smog, oxidační typ smogu, dnes zvaný letní smog nebo také fotochemický smog. Je spojen se znečišťováním ovzduší výfukovými plyny automobilů. Ty obsahují zplodiny spalování kapalných a plynných paliv. Pro jeho vznik jsou důležité reakce iniciované slunečním zářením. Nejintenzivnější je při specifických přírodních podmínkách – teplotě 25 až 30°C, nízké vlhkosti vzduchu a při jasném počasí s intenzivním slunečním světlem.