the dual nature of ozone€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone...

29
THE DUAL NATURE OF OZONE Stratospheric and Tropospheric Ozone by: Daniel Cohan Ph.D. and Remelia Arpino June, 2012 INTRODUCTION This lesson packet contains two lessons on ozone: Stratospheric Ozone and Tropospheric Ozone. This is the high school version of the Rice Air Curriculum, originally developed by Dr. Daniel Cohan and Kavita Venkateswar in 2009. Its primary objectives are to provide high school teachers of Environmental Systems or similar courses with curricular materials for engaging students in interactive and inquirybased learning about ozone in both the stratosphere and troposphere. Each lesson is divided into two sections. The first section is the teaching guide that utilizes the 5E lesson plan format and the second section is the reproducible student materials. The suggested activities include collaboration among students, use of technologies like computers for research, use of apparatuses to measure weather conditions and ozone on school campuses, and a chance to develop and apply their critical thinking skills in designing their own experiment in the second lesson. Since the Houston region has long struggled to meet the federal air quality standards for groundlevel tropospheric ozone, it is hoped that at the end of the lessons, students will actively participate in considering how they can reduce emissions that cause the formation of tropospheric ozone.

Upload: others

Post on 16-Apr-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

THEDUALNATUREOFOZONE

StratosphericandTroposphericOzone

 by:  Daniel Cohan Ph.D. and Remelia Arpino 

June, 2012 

 

INTRODUCTION 

  This lesson packet contains two lessons on ozone: Stratospheric Ozone and Tropospheric Ozone.  

This is the high school version of the Rice Air Curriculum, originally developed by Dr. Daniel Cohan and 

Kavita Venkateswar in 2009.  Its primary objectives are to provide high school teachers of Environmental 

Systems or  similar  courses with  curricular materials  for  engaging  students  in  interactive  and  inquiry‐

based learning about ozone in both the stratosphere and troposphere.    

  Each lesson is divided into two sections.  The first section is the teaching guide that utilizes the 

5E  lesson plan  format and  the  second  section  is  the  reproducible  student materials.     The  suggested 

activities include collaboration among students, use of technologies like computers for research, use of 

apparatuses  to measure weather conditions and ozone on school campuses, and a chance  to develop 

and apply their critical thinking skills in designing their own experiment in the second lesson.  

  Since  the  Houston  region  has  long  struggled  to  meet  the  federal  air  quality  standards  for 

ground‐level  tropospheric  ozone,  it  is  hoped  that  at  the  end  of  the  lessons,  students  will  actively 

participate  in  considering  how  they  can  reduce  emissions  that  cause  the  formation  of  tropospheric 

ozone.  

Page 2: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

 

 

TTeeaacchhiinnggGGuuiiddee

TheDualNatureofOzone:STRATOSPHERICOZONE 

  Adapted by Remelia Arpino from the Rice Air Curriculum by Daniel Cohan and Kavita Venkateswar

 

Page 3: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

OBJECTIVE 

This  lesson  focuses  on  stratospheric  (high‐level)  ozone, which  protects  us  from  the  harmful 

radiation of  the sun.   The  lesson explains how ozone naturally  forms  from oxygen and sunlight  in  the 

stratosphere, and distinguishes between the protective stratospheric ozone  layer and the tropospheric 

ozone pollution that forms near the ground (covered in more detail in the Tropospheric Ozone Lesson).  

Students will  look  at  how  certain  chemicals  can  damage  stratospheric  ozone  and  how  the Montreal 

Protocol  and  the  efforts  of  some  companies  and  agencies  are  helping  to  protect  the  ozone  layer.  

Students will be active participants throughout the whole  lesson and it  is hoped that at the end of the 

lesson, they will gain a deeper understanding of the stratospheric ozone.  

In  preparation  for  the  subsequent  lesson  about  tropospheric  ozone,  students  in  the  Explore 

activity  will  begin  to  measure  ground‐level  ozone  and  meteorological  factors  that  are  related  to 

tropospheric ozone  formation.   Their skills  in  this  investigation will be used  in  the next  lesson  for  the 

inquiry lab.   

               Figure 1.   Stratospheric ozone forms naturally and protects us from ultraviolet radiation.   Tropospheric ozone forms from air pollutant emissions and harms human health.  Credit: US Nuclear Regulatory Commission: Ozone: Good Up High, Bad Nearby. 

 

 

BACKGROUND INFORMATION 

Most of the oxygen in the atmosphere, and the type that we need to sustain life, has two atoms 

per molecule  (O2).   Ozone,  by  contrast,  has  three  oxygen  atoms  (O3). Ozone  forms  naturally  in  the 

stratosphere when intense ultraviolet radiation (UV‐C) from the Sun splits an oxygen molecule (O2) into 

two O atoms. Each O can then combine with another O2 to form O3.   

Page 4: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

About 90 percent of the ozone in the Earth’s atmosphere is found in what is known as the ozone 

layer in the stratosphere (about 10‐30 miles above Earth’s surface). The ozone layer absorbs most of the 

Sun’s ultraviolet radiation to shield us from these damaging rays. Ultraviolet rays can cause a range of 

negative effects:  they can cause cancer, burn skin, damage eyes, weaken  the human  immune system, 

and harm both plants and animals.  In  fact, estimates show that a one percent reduction  in the ozone 

layer results in a two to five percent increase in the number of cases of cancer!  

Certain air pollutants can damage  the ozone  layer. The most dramatic depletion of  the ozone 

layer  is the Antarctic ozone hole.  In the early 1980s, scientists discovered major thinning of the ozone 

layer above Antarctica during springtime1. In fact, they observed nearly 70%  less ozone than had been 

found there previously! Scientists realized that the depletion of the ozone layer is caused by the release 

of certain chemicals such as chlorofluorocarbons  (CFCs)  into  the atmosphere.  Just a  few decades ago, 

CFCs  were  used  in  air  conditioners,  aerosol  sprays,  and  cleaning  products.  When  CFCs  reach  the 

stratosphere,  they  react  with  the  sunlight  to  release  chlorine  atoms,  which  can  destroy  ozone 

molecules. In 1989, an international agreement known as the Montreal Protocol was signed to ban the 

most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it 

is hoped that the ozone layer will completely recover by 2050. 

As we have seen, the ozone layer in the stratosphere is a vital layer of protection for the Earth. 

This layer that contains most of the atmosphere’s ozone is far above the air that we breathe every day, 

and even above the altitude where most airplanes fly. However, when ozone forms near the surface in 

the troposphere, where humans breathe,  it  is an air pollutant that can harm our  lungs and the natural 

environment.  This  tropospheric  ozone  is  the  same molecule  as  in  the  stratosphere. However,  in  the 

troposphere,  ozone  forms  in  very  different ways  than  in  the  stratosphere. We’ll  learn more  about 

tropospheric ozone in a separate lesson. 

   

                                                            1 The dramatic thinning of ozone over the South Pole does not last for the entire year. Instead, it usually occurs in September or October (Antarctic springtime) and “fills in” or disappears by December. Special conditions in the Antarctic winter make its stratospheric ozone especially sensitive to depletion by chlorine when the sun returns in the early spring. Outside of Antarctica, slight reductions in stratospheric ozone have also been observed over most of the planet. 

Page 5: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

TEXASSTANDARDS

TEXASESSENTIALKNOWLEDGEANDSKILLS(TEKS)

Environmental Systems TEKS 9: The student knows the impact of human activities on the environment. The student is expected to: 

A. Identify causes of air, soil, and water pollution, including point and nonpoint sources; 

B. Investigate  the  types of air,  soil, and water pollution  such as  chlorofluorocarbons, carbon dioxide, pH, pesticide  runoff,  thermal  variations, metallic  ions, heavy metals, and nuclear waste; 

C. Examine the concentrations of air, soil, and water pollutants using appropriate units; 

D. Describe the effect of pollution on global warming, glacial and  ice cap melting, greenhouse effect, ozone layer, and aquatic viability; 

E. Analyze  past  and  present  international  treaties  and  protocols  such  as  the  environmental Antarctic Treaty System, Montreal Protocol, and Kyoto Protocol. 

TEXASCOLLEGEANDCAREERREADINESSPROGRAM(CCRS)

SCIENCESTANDARDSWITHPERFORMANCEINDICATORS

I. Nature of Science 

A. Cognitive skills in science 

1. Use creativity and insight to recognize and describe patterns in natural phenomena. 

2. Rely  on  reproducible  observations  of  empirical  evidence  when  constructing, analyzing, and evaluating explanations of natural events and processes. 

B. Collaborative and Safe working practices 

1. Collaborate on joint projects. 

2. Demonstrate  skill  in  the  safe  use  of  a  wide  variety  of  apparatuses,  equipment, techniques, and procedures. 

C. Current scientific technology 

1. Use computer models, applications, and simulations 

 

Page 6: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

D. Effective communication of scientific information 

1. Use  several modes of expression  to describe or  characterize natural patterns and phenomena.    These modes  of  expression  include  narrative,  numerical,  graphical, pictorial, symbolic and kinesthetic. 

II. Foundation Skills: Scientific Applications of Mathematics 

A. Understand the real number system and its properties 

1. Calculate the sums, differences, products and quotients of real numbers. 

III. Foundation Skills:  Scientific Applications of Communication 

A. Scientific Reading 

1. Set up apparatuses, carry out procedures, and collect specified data from a given set of appropriate instructions. 

B. Presentation  of  scientific  /technical  information  in  appropriate  formats  for  various audiences 

1. Prepare  and  present  scientific/technical  information  in  appropriate  formats  for various audiences. 

C. Research skills/information literacy 

1. Use search engines, databases, and other digital electronic tools effectively to locate information 

IV. Cross‐Disciplinary Themes 

A. Change over time/equilibrium 

1. Recognize patterns of change 

V. Environmental Science 

A. Earth systems 

1. Know the major features of the atmosphere 

B. Human practices and their impacts 

1. Understand how human practices affect air, water and soil quality. 

Page 7: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

ENGAGE Option 1: Brainpop Video  ‐ Ozone Layer  (Use this option if you have access to Brainpop.com otherwise, use option 2.) 

Materials: (for Option 1 and 2)  

For each group: Labels and diagram of the three  layers namely: troposphere, ozone  layer and stratosphere (SM‐1) 

Procedure: 

1. Before showing the video, have students identify the three layers namely; troposphere, ozone  layer and  stratosphere by placing  the  correct  labels  in  the diagram.   Use SM‐1 material for this preliminary activity. 

2. Have students watch the short video on ozone layer.   3. At the end of the video, ask students the following questions: 

a. How many oxygen atoms are there in an ozone molecule? b. What is the role of the ozone layer? c. What chemicals damage the ozone in the stratosphere? d. What government agency oversees programs designed to help the ozone layer? 

Option 2:  You Tube Video:  NASA: Exploring Ozone 

Procedure: 

1. Before showing the video, have students  identify the three  layers namely; troposphere, ozone  layer  and  stratosphere  by  placing  the  correct  labels  in  the  diagram.      Use  SM‐1 material  for this preliminary activity. 2.   Go  to  http://www.youtube.com/watch?v=qUfVMogIdr8  and  have  students watch  the short video from NASA. 3.  At the end of the video, ask students the following questions: 

Facilitation Questions: 

1.  How does stratospheric ozone protect life on earth? 2.  What chemicals do you know that could damage the stratospheric ozone? 3.  In  addition  to  those  chemicals, what  are  the  other  ingredients  or  factors  known  to 

deplete the ozone?  

     

 

Page 8: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

EXPLOREPARTI   

Teacher notes:  The first explore activity will introduce students to the equipment that is used to monitor ground‐level ozone.    It  is  important that they will develop the skills of using all the equipment listed below since they will be doing an inquiry lab in the next lesson.  Do not forget to emphasize in this activity that they are measuring ground‐level (tropospheric) ozone, not stratospheric ozone. 

Teacher Preparation: Print the SM‐2 (Rice Air Curriculum: Ozone and Meteorology Data Sheet) and SM‐3 (Cloud Guide) for each group of students.   

Materials (one for each group): 

Rice Air Curriculum: Ozone and Meteorology Data Sheet (SM‐2) 

Cloud Guide (SM‐3)  Ozone strips  Ozone scanner 

Hygro‐thermometer  Infrared Thermometer  Wind vane  Thermal glove 

 

Procedure:   

1. Take your students outside the classroom and have them measure the different parameters listed in the Ozone and Meteorology Data Sheet.    Note:  Be sure to review the GLOBE Protocol for Ozone.  It is important that the ozone strip must be exposed for at least an hour.  Make the necessary adjustments according to your class time.    

2. Ask your students to record the beginning of class data in their data sheet. 3. Repeat the procedure after an hour and have your students record the end of class data in 

their data sheet. 

Facilitation Questions: 

1. What is the difference between the beginning and end of class data? 2. How do you account for the difference of the data? 

Page 9: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

EXPLOREPARTII 

Teacher Preparation:  Make copies of the Introduction to Ozone Cards for your student groups.  Procedure: 

1. Divide the class into seven (7) groups. 2. Assign one ozone card (SM‐4) to each group of students.  3. Instruct  the  students  to  read,  brainstorm  and  discuss  the  information  in  the  card  for  15 

minutes. 4. Remind them that after the activity, they are going to present it to the class for discussion.  

Give them an additional 10 minutes to prepare visual materials that would help them in the delivery of the information. 

EXPLAIN 

Teacher Preparation:  Make copies of SM‐5 (Note‐taking worksheet) for individual student.  This will keep each student focused during the presentation.  Vocabulary 

Ozone 

Oxygen molecule 

Oxygen atoms 

Ozone layer 

Stratospheric ozone 

Ultraviolet rays 

Electromagnetic  spectrum 

Chlorofluorocarbon 

Montreal Protocol 

Antarctic ozone hole 

 

Procedure 

1. Give students 5 minutes to prepare for their presentation. 2. Distribute SM‐5 to individual student for note‐taking during presentation. 3. Each group of students will explain the information in the card to the class.   

Note:    Be  sure  to  clarify  things  before  proceeding  to  the  next  group.    Facilitate  the discussion by asking questions.  

 

Page 10: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

ELABORATE 

Teacher Notes: The elaborate or extension activity  is an online research activity.   Students are going  to  read  the  ‘Achievements  in  Stratospheric  Ozone  Protection  Progress  Report’  by  the  US Environmental Protection Agency.   The  information  that  they will gather  from  this report will enhance their understanding on  the cause of  stratospheric ozone depletion as well as  the efforts of companies and agencies back then and now to save the ozone  layer.   This task can be given as a homework or  in‐class assignment. 

 Teacher  Preparation:  If  your  access  to  computers  is  through  the  computer  lab,  be  sure  to 

reserve it in advance for this lesson.  Make copies of SM‐6 for individual student.   

Materials: 

Computers  Achievements in Stratospheric Ozone Protection Worksheet (SM‐6)  Pens/pencils

 Procedure: 

  1.  Distribute the SM‐6 to individual student.   2.  Ask them to type ‘http://www.epa.gov/ozone/downloads/spd‐annual‐report_final.pdf’ into         their internet browser.   The first page of the document should be: ‘Stratospheric Ozone         Protection Progress Report.’   3.  Instruct the class that they are going to read the whole document and answer the questions          in the worksheet.    

EVALUATE 

Teacher Preparation:  Print copies of the Summative Assessment (SM‐7). 

Procedure:   

1. Distribute the SM‐7 to each student. 2. Assess the students by giving the 5‐question summative assessment. 

Answer Key 

1.  D 

2.  D 

3.  A 

4.  B 

5.  C 

Page 11: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

 

 

SSttuuddeennttMMaatteerriiaallss

TheDualNatureofOzone:TROPOSPHERICOZONE 

 

Page 12: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐1      SAVE SMOG CITY 2 FROM OZONE WORKSHEET 

Worksheet Courtesy of the U.S. Environmental Protection Agency and Sacramento Air Quality Management District 

http://www.smogcity2.org/smogcity.cfm?preset=ozone 

 

Direction:  Follow the instructions listed below.  Be sure to answer the questions associated to some instructions in the activity. 

1. Access the Smog City 2 web site at www.smogcity2.org.  2. Select “Save Smog City 2 from Ozone.”  3. Once Smog City 2 loads to your computer, take note of the areas of Smog City 2, including Weather Conditions, Emissions Levels and Population. All areas have “clickable” choices. Mouse‐over or click on the choices. 

• NOTE: in the information box at the bottom of the screen, there is information about each choice. 

 4. Notice how each of the choices are pre‐set to a certain level. These are called the default settings. You can use the reset button at any time to return to the default settings. In the chart below, circle or highlight the default setting for each choice. The first setting, Sunlight, has already been completed for you.  

A.  Weather Conditions   

Weather Conditions  Choices Included in the Area  Sunlight  Inversion Layer  Wind Speed  Maximum Daily Temperature  

 Clear               Partly Cloudy                 Cloudy  No inversion            Low inversion          High Inversion  Calm          Light Breeze             Breezy            Windy  30ºF         40ºF       50ºF       80ºF        90ºF       100ºF       110ºF 

 

Page 13: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

B.  Emission 

Emission  Choices Included in the Area  Energy Sources      Cars and Trucks    Off Road Vehicles    

Consumer Products    Industry 

 Some energy sources produce more smog‐producing emissions than others.(level 1 is cleaner sources like a wind or solar technology, level 3 produces more smog like a coal‐fired power plant) Levels: 1 2 3  This includes Passenger vehicles (all sizes), large and medium trucks, motorcycles Levels: 1 2 3 4 5  This includes airplanes, trains, power boats, earth movers, tractors, harvesters, forklifts, bulldozers, backhoes Levels: 1 2 3 4 5  This includes paint thinner, charcoal lighter fluid, glue or other adhesives, gasoline Levels: 1 2 3 4 5  This includes manufacturing facilities, power plants, oil refineries/storage/distribution centers, food and agricultural processing Levels: 1 2 3 4 5 

 

C.  Population 

Population  Choices Included in the Area          Population in Smog City 2 affects air quality. Changing population, as shown by the “total emissions” chart and the emission sources in the cityscape, affects VOCs, NOx and SO2. The compounds react to form ground‐level ozone and particle pollution. When temperatures are cool, changing population also changes the usage of wood‐burning stoves, which emit particle pollution.  

 In Smog City 2, you can increase the population from near‐zero to about two million people.  Levels: 1 2 3 4 5 

  5. Observe the AQI (Air Quality Index) box in the lower right corner. The default settings, which are circled above, result in a “red”, or “Unhealthy” AQI for ground level ozone. The health message is: “Active children and adults, and people with respiratory disease, such as asthma, should avoid prolonged outdoor exertion; everyone else, especially children, should limit prolonged outdoor exertion.”  

Page 14: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

Scenario 1: Emission Sources 1. Minimize the “Save Smog City 2 from Ozone!” instructions at the top of the screen.  2. Turn only Cars and Trucks control to 1. Leave all other choices at the default settings. Record what happens on the Student Worksheet in the table below. Use the reset button to return the Cars and Trucks control to 4, so all controls are in default position.  3. Turn only Off Road down to 1. Leave all other settings alone. Record what happens on the Student Worksheet. Use the reset button to return the Off Road control to the middle setting, so all controls are in default position.  4.  Adjust each of the remaining controls noted in red and record the result in Data Table 1.  Data Table 1 

  Energy Sources 

Cars & Trucks 

Off Road 

Consumer Products 

Industry  Air Quality Index (AQI) Color | message | value 

default  2  4  3  3  3   Red – Unhealthy‐ 175 

Change Cars & truck only 

 2 

 1 

 3 

 3 

 3 

 

Change Off Road  only 

 2 

 4 

 1 

 3 

 3 

 

Change consumer products only 

 2 

 4 

 3 

 1 

 3 

 

Change Industry  only 

 2 

 4 

 3 

 3 

 1 

 

Change Energy Sources  only 

 1 

 4 

 3 

 3 

 3 

 

  5.  Turn all Emission controls to level 1. What is the AQI? Why?         6.  Using the reset button, return all Emission controls to the default setting. Turn the Population control to level 1. What is the AQI? Why? (Hint: Click the Population icon and read the information under “What Is This?” in the “Information” box.)        

 

 

Page 15: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

Scenario 2: Weather  1. Reset all Emission controls to the default setting. What is the AQI level?     2.  Increase only the temperature control to 110 ºF. Check the black sign in the cityscape for the temperature. How does this affect the AQI? Why?        3.  Now move the cloud cover to Cloudy (level 3). How does sunlight affect ozone formation? Why?             

Concluding Questions:  Answer the following questions during class discussion;  1. Was there any one variable that seemed to have a greater increase in ozone than others tested? Which one?           2. What steps could be taken to control emissions levels?         3. Can you think of ways to reduce ozone levels?             

 

 

 

 

 

Page 16: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐2          EXPERT GROUP CARDS  

GROUP 1  What is Tropospheric Ozone? 

Tropospheric ozone  (O3), also known as  low‐level ozone,  is an air pollutant  that  is harmful  to humans and the natural environment. It is the same O3 molecule as stratospheric ozone. However, since tropospheric  ozone  occurs where  it  can  be  inhaled  by  humans  or  enter  plant  stomata,  it  can  cause damage to our health and vegetation. That is why the phrase “Good up high, bad nearby” is sometimes used to distinguish between the natural stratospheric ozone that protects us from ultraviolet radiation, and  the  tropospheric  ozone  that  can  be  a  harmful  air  pollutant. Only  about  10%  of  all  atmospheric ozone is in the troposphere, and there is usually no more than 1 molecule of ozone for every 10 million molecules  of  air  near  the  ground. However,  ozone  is  such  a  strong  pollutant  that  even  those  small amounts can be harmful when breathed in to our lungs. 

 

 Figure 1.  Good and bad ozone in the atmosphere.  Credit: U.S. EPA : Ozone: Good Up High, Bad Nearby 

    In  the previous  lesson, we  learned how  stratospheric ozone  forms naturally  from oxygen  (O2) 

and UV‐C sunlight. However, in the troposphere, ozone forms as a pollutant when manmade and natural emissions  of  nitrogen  oxides  (NOx)  and  volatile  organic  compounds  (VOCs)  react  in  the  presence  of sunlight. Unlike other air pollutants, tropospheric ozone is not emitted directly into the atmosphere but instead forms from these other compounds. Details on how those compounds form ground‐level ozone are discussed in another expert card. 

 In  Texas,  the  Houston  and  Dallas  regions  have  long  struggled  to  meet  federal  air  quality 

standards  for ground‐level ozone. Large amounts of emissions  from vehicles and  industries  (including numerous  petrochemical  facilities  in  Houston)  and  hot  weather  conditions  contribute  to  ozone pollution.  Ozone  levels  in  Houston  and  Dallas  have  greatly  improved  as  control  devices  have  been developed  to  reduce  air  pollutant  emissions  from  cars  and  factories.    However  in  spite  of  the improvement, both cities continue to exceed federal  limits. The U.S. Environmental Protection Agency recently lowered the ozone limit from 85 ppb (parts per billion) to 75 ppb, because scientists found that health  impacts can occur even at  these  low  levels.   This  lower  limit will make  it more challenging  for states to reduce emissions sufficiently to meet the ozone standard.    

Page 17: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐2          EXPERT GROUP CARDS 

GROUP 2 

 What are the sources and controls of nitrogen oxide (NOx) emissions?  Nitrogen Oxides:  Nitrogen oxides (NOx) is a term used to describe two highly reactive gases: nitric oxide (NO)  and  nitrogen  dioxide  (NO2).  These  gases,  together  with  VOCs,  contribute  to  the  formation  of tropospheric ozone by chemical reactions that are described in a separate group card.  

 Emission Sources:   Nitrogen oxides are formed from the combustion of fossil fuels or biomass, and by natural processes such as volcanic eruptions, forest fires, soils, and lightning. It can be seen from Figure 2  that  the  two  leading  sources of NOx emissions  in  the United States are on‐road vehicles  (i.e., cars, trucks and buses) and off‐road vehicles and equipment such as construction or agricultural equipment, trains, airplanes, and boats. Electric utilities  (“power plants”) and other  industries  that combust  fossil fuels such as coal, oil, and natural gas are also important sources of NOx emissions.  Natural emissions of NOx come from lightning, wildfires, and soil.  

On‐road Vehicles39%

Off‐road Vehicles & Equipment

20%

Electric Utilities17%

Industrial Fuel Combustion

8%

Biogenics (Natural)6% Other 

10%

U.S. Nitrogen Oxide Emissions (2008)

 Figure 2.  U.S. nitrogen oxide emissions by source category in the US EPA 2008 National Emissions Inventory. 

 

Controls:   Since most NOx  in the atmosphere comes from burning fossil fuels in vehicles, power plants and other  industries, one way to control NOx emissions  is to use  less  fossil  fuel.   This can be done by driving  less,  using  renewable  or  cleaner  burning  fuels,  driving  within  the  speed  limit,  maintaining vehicles, and using energy efficient lights and appliances.   

In addition, government  regulations  require  that new vehicles and power plants emit  far  less NOx  than  they  did  in  the  past.    This  has  been made  possible  by  the  development  of many  control technologies that strongly reduce NOx emissions from vehicles and other sources. For example, catalytic converters  in cars can convert most NOx  into harmless nitrogen gas (N2) before the exhaust  leaves the tailpipe.  Similarly,  control  technologies  for power plants  and other  industries  can  sharply  reduce  the amount of NOx that leaves their smokestacks.  Together, these policies have allowed the U.S. to cut NOx emissions by more than 50% since 1980, even as vehicle and electricity use have grown. 

Page 18: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐2          EXPERT GROUP CARDS 

GROUP 3 

 What are the sources and controls of volatile organic compound (VOC) emissions?  Volatile  Organic  Compounds:  VOCs  are  unstable  organic  compounds  that  contain  carbon.  The atmosphere contains hundreds of  types of VOCs. When you smell a  forest, baking bread, perfume, or many other scents, what you are smelling is VOCs. Some VOCs are harmful to human health, but many others are harmless at typical concentrations in the atmosphere. Together with NOx, VOCs contribute to the formation of tropospheric ozone by chemical reactions that are described in a separate group card.  Emission Sources: Figure 3 shows  the emission of VOCs  to  the atmosphere  in  the United States.   The majority of VOC emissions originate  from natural biogenic sources, especially  trees which emit a VOC called  isoprene.   However, manmade VOCs can be  important contributors to ozone formation  in some cities.  The  biggest  category  of manmade  emissions  is  evaporation  of  VOCs  from  solvents,  including paints, cleaning supplies, and other products.  VOCs are also emitted when fossil fuels are combusted by on‐road  vehicles  (i.e.,  cars,  trucks,  and  buses),  off‐road  vehicles  or  equipment  (e.g.,  construction  or agricultural equipment, trains, airplanes, and boats), or for other purposes. Some VOCs are also released in the extraction and processing of petroleum and natural gas. 

 

Biogenics (Natural)64%

Solvents7%

On‐road Vehicles6%

Off‐road Vehicles & Equipment

5%

Petroleum & Related Industries

4%Other14%

U.S. VOC Emissions (2008)

 Figure 3. U.S. Emissions of VOCs in the US EPA 2008 National Emissions Inventory. 

Controls:   Regulations  and  improved  technologies  have  reduced  the VOC  emissions  from  paints  and other  solvents.  Catalytic  converters  and  cleaner  burning  fuels  have  reduced  VOC  emissions  from vehicles,  and  other  control  technologies  can  reduce  emissions  from  petroleum  refineries  and  other industries. On an individual level, anything we do to reduce our driving and use of solvents can reduce VOC emissions. Biogenic  (natural)  sources  from plants are  largely beyond our control; however,  trees tend to emit more VOCs on warm and sunny days, so emissions could increase if the climate warms.  

Page 19: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐2          EXPERT GROUP CARDS  

GROUP 4 The Chemistry of Tropospheric Ozone Formation 

 How does ozone form in the troposphere?    

In the previous  lesson, we  learned how ozone forms naturally  in the stratosphere from oxygen and UV‐C  sunlight.  In  the  troposphere,  ozone  instead  forms  as  a  pollutant  from  chemical  reactions involving  nitrogen  oxides  (NO  and  NO2,  known  collectively  as  “NOx”),  volatile  organic  compounds (VOCs), and sunlight. Other expert cards describe the emission sources and control technologies for NOx and VOCs. Notice that unlike most other air pollutants, tropospheric ozone  is not emitted directly  into the atmosphere, but instead forms from these other compounds.  

 Figure 4.  Tropospheric ozone (‘bad ozone).  Credit: http://www.airnow.gov/index.cfm?action=aqibasics.ozone 

 

   Since virtually all UV‐C sunlight is absorbed by oxygen molecules (O2) in the stratosphere, almost 

none of the UV‐C can reach the troposphere to help form ozone.   However, most visible sunlight  (the portion of  the electromagnetic  spectrum  that our eyes  can  see) does  reach  the  troposphere.   Visible light  can  break  apart  nitrogen  dioxide  (NO2)  to  form  ozone  (O3)  and  nitric  oxide  (NO),  as  shown  in reaction 1.     #1  NO2     +      visible light   +       O2              NO   +   O3              The NO formed by Equation 1 can react with ozone (O3) or with another radical:      #2a  NO         +        O3               NO2     +     O2   #2b  NO       +     radical (e.g., HO2)       NO2     +     other products   

Page 20: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

Note that if Reaction 1 is followed by Reaction 2a, all of the reactants and products cancel out; in other words, each gas is produced and destroyed one time.  Thus, if only Reactions 1 and 2a occurred, ozone could not build up to very high levels in the troposphere.    

However, if Reaction 1  is followed by Reaction 2b, O3  levels could build up  in the troposphere, since the NO2 is replaced without destroying an O3. Notice that these reactions change the form of NOx between NO and NO2, but the overall amount of NOx stays the same.    In other words, the NO2 that  is lost in Reaction 1 is reproduced by Reaction 2b.  This means that NOx serves as a “catalyst” for forming O3 in the troposphere.    

How do we get the radical needed for Reaction 2b? These radicals form when VOCs react with oxidant gases such as OH (hydroxyl radical) as shown in Reaction 3:    #3  VOC    +     OH         radical (e.g. HO2)     +   other product   We can summarize how ozone (O3) forms in the troposphere by a single equation:    SUMMARY:  NOx       +          VOC         +        sunlight                  O3     

Even  though ozone  formation  involves many complicated  reactions  rather  than  the  simplified equation shown here, this summary reminds us of the three (3) ingredients needed to form ozone (O3) in the troposphere:   nitrogen oxides (NOx), volatile organic compounds (VOCs), and sunlight.   If any of these  ingredients are missing, very  little ozone can  form.   To reduce ozone pollution, we must reduce our emissions of NOx, VOCs or both. 

 

 

 

 

 

 

.

     

Page 21: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐2          EXPERT GROUP CARDS   

GROUP 5   How do weather conditions affect tropospheric ozone formation?    In addition to NOx and VOCs, weather conditions or meteorological factors are known to  have  some  influence  in  the  formation  of  tropospheric  ozone.    These  factors  include temperature,  humidity,  cloud  cover  and  wind  direction  and  speed.    Combination  of  these factors can increase or decrease the amount of ozone in the troposphere.    1.  Temperature.  Since ozone formation is a photochemical reaction, sunlight has to be present.  The heat and light from the sun drive the reactions involved in the formation of ozone molecules.   Higher temperatures also  increases the evaporation of VOCs  into the atmosphere, and causes trees to release more VOCs.  For all of these reasons, observational monitors usually measure more ground‐level ozone when temperatures are high.    2.   Humidity.   Water vapor  in  the atmosphere helps  to  form hydroxyl  radical  (OH), a highly  reactive gas  that  reacts with VOCs  to accelerate  the  formation of  tropospheric ozone.  However, very humid days may also be cloudy and rainy which can slow down ozone formation.  Thus, O3 levels may increase or decrease as humidity changes.    3.  Cloud cover.  The presence of clouds in the atmosphere blocks some of the sun’s UV and visible radiation.   When there are more clouds,  less radiation from the sun can reach the ground level.  Thus, tropospheric O3 levels tend to be lower on cloudy days.    4.   Wind direction and speed. Ozone formation  is also  influenced by the circulation of air.   Wind  carries  the  ingredients  necessary  for  ozone  formation  from  one  area  of  town  to another.   Fast wind speeds tend to dilute pollution.   When air  is very calm under an  inversion layer, pollution levels can build up.    

           

Page 22: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐2          EXPERT GROUP CARDS   

GROUP 6  What are the negative impacts of tropospheric ozone? 

   Tropospheric or low‐level ozone can have the following health effects, even at concentrations of less than 100 parts per biilion (i.e.  1 ozone molecule for every 10 million air molecules):    1.  Make people more sensitive to allergens.   2.  Aggravate asthma.   3.  Damage and inflame the lungs, making it harder to breathe.   4.  Irritate the respiratory system – coughing and irritation in the chest.    All of the above conditions can prevent people from taking part in vigorous activities outdoors.  Children and the elderly are especially more sensitive to these health effects.    In plants,  tropospheric or  low‐level ozone has been  known  to  enter  the plants  through  their stomata  (opening  in  the  leaves  for carbon dioxide  to enter and oxygen  to exit) and damage  the cells.  This can cause chlorosis  in plants  (a condition when  leaves produce  less chlorophyll) and  slows down photosynthesis as well as plant growth.  In plants that are sensitive to O3, the damage can be seen as brown  flecks on  the  leaves.   Ozone damage can  reduce crop yields on  farms and  slow  the growth of forests.   

 

              

Figure 5.  Snapbeans in clean air (L) and Snapbeans damaged by ozone (R). Credit:  Fitzgerald Booker, USDA‐ARS Plant Science Research Unit, North Carolina State University  

   

Page 23: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐3      METEOROLOGICAL FACTORS AND OZONE CONCENTRATION          Lab Worksheet 

 Directions:   Use  this worksheet  to  plan  for  your  investigation.        Fill  out page  1  and  turn  it  in  for approval before conducting the experiment.  Use the elements (title, question, hypothesis, etc) in this worksheet in writing  the final lab report.  Only 1 lab report is required per group.    Title of the Investigation:  __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________   Question: __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________   Hypothesis: __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________   Variables:    

Independent variable                           Dependent variable                     Controlled variables   __________________           ________________   ____________________ __                   _______________________                     _______________________    Materials: __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________   Procedure: ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________   Experimental Site: ___________________________________   Experimental design reviewed and approved on : _______________________   

‐page 1‐   

Page 24: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

Results and Discussion:   Use tables and graphs here.     Sample Data Table    

Meteorological Factor (example: air temperature)  Ozone Concentration (ppb) 

   

   

   

  Conclusion: ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________   Group Names _______________________________ _______________________________ _______________________________  _______________________________                                                          

‐ page 2‐ 

Page 25: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐4          CLOUD GUIDE  

(To help students fill in “Cloud Types” and “Cloud Cover” on Rice Air Curriculum Data Sheets) Cloud Types 

High in the Sky: 

 Cirrus  Cirrocumulus  Cirrostratus 

Middle of the Sky: 

 Altocumulus  Altostratus 

Low in the Sky: 

 Stratus  Stratocumulus  Cumulus 

Rain or Snow Producing Clouds: 

   Nimbostratus  Cumulonimbus 

 

Cloud Cover 

     No Clouds  Clear  Isolated  Scattered  Broken  Overcast 

0% ‐ No clouds  <10% Clouds  10‐25% Clouds  25‐50% Clouds  50‐90% Clouds    

Images:http://www.globe.gov/tctg/atmo_chap.pdf?sectionid=1&lang=EN

Page 26: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

 SM‐5    The Daily Maximum Eight‐Hour Ozone Averages 

Page 27: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

Summary of Data  Make a summary of the ozone values in terms of air quality condition or levels of health concern.  

   Good 

 Moderate 

Unhealthy for Sensitive 

Groups 

 Unhealthy 

Very Unhealthy 

 Hazardous 

  

Days    

      

     

 

For the days, write the date or dates of the month where these AQI are observed. 

 

  

Answer the following questions: 1.  Do you see any variation of the ozone level in the area you selected?  2.  Which date has the highest ozone level? _______ and which one has the lowest? ________ 3.  Explain the possible cause or causes of this variation. 4.  What should you do before going out for any outdoor activity? 

 

Page 28: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

 SM‐6          Rice Air Curriculum 

Ozone and Meteorology Data Sheet    

Group’s Name : ___________________________________________________________ Measurement location : ____________________________________________________   

Please choose three places where you will measure surface temperature (circle one for each): Surface Temperature #1: Grass Barren Land Shrubs Concrete Asphalt Other: ____________________ Surface Temperature #2: Grass Barren Land Shrubs Concrete Asphalt Other: ____________________ Surface Temperature #3: Grass Barren Land Shrubs Concrete Asphalt Other: ____________________   

  Day 1  Day2  Day 3  Day 4  Day 5 

Date           

Day of Week           

 Beginning of class (ozone strip exposed) 

Time (hour:min)       Wind direction       Air temperature  (°C)       Surface temperature (°C) 

     

Relative Humidity (%)       Cloud Types (see Cloud Guide; ; List all types seen) 

     

Cloud Cover  

     

 End of class (ozone strip read) 

Time (hour:min)       Wind direction       Air temperature  (°C)       Surface temperature (°C) 

     

Relative Humidity (%)       Ozone concentration (parts per billion) 

     

AQI  

     

 

Page 29: THE DUAL NATURE OF OZONE€¦ · most destructive ozone‐depleting gases and preserve the ozone layer. If the agreement is adhered to, it is hoped that the ozone layer will completely

SM‐7          EVALUATION  Direction:  Write at least a 1‐page essay on the following prompt:           

 

 

 

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 

 

Houston is one of the cities in the U.S. that exceeded the ozone standard.  As an individual and resident of Houston, how can you help reduce the ozone concentration around the area?   What steps should you take and how would these steps impact the environment?