Környezeti klimatológia II.
Makra László
Az alsó légkör
Alapismeretek
Alsó légkör Mi történik a minket körülvevő légkörben? • Egy vékony légréteg öleli körül Földünket. Minél inkább eltávolodunk a Föld felszínétől, a légkör egyre ritkábbá válik. Ezt a réteget nevezzük légkörnek, illetve idegen szóval atmoszférának. „Atmoszféra” (görög eredetű), jelentése: „atom” = elem; sphaira = gömb, szféra.
•A levegő, amit belélegzünk, összetételével és tulajdonságaival, nemcsak a növényi, állati és emberi élethez alapvető fontosságú. Meghatározza a Föld éghajlatát is. Ha egy derült napon felnézünk az égre, nem látunk mást csak a kék eget. Azonban a hőmérsékletet mérve számos változást megfigyelhetünk, ha felemelkedünk a Föld felszínétől 100 km magasságig. Azt mondhatjuk, hogy több láthatatlan réteg található a légkörben. A legalsó réteg az, ahol az életünk zajlik, és ahol a napi időjárást megfigyeljük. Ez a réteg a pólusokon 8 km-ig, az Egyenlítő környékén, a trópusokon 15 km magasságig tart. Ez a troposzféra. „Tropo” (görög eredetű), jelentése: változó. •
A troposzférában a hőmérséklet a magassággal csökken. Ez megváltozik a troposzféra felső részén, amit tropopauzának nevezünk. Ebben a témában megismerjük ezen réteg tulajdonságait, összetételét, kémiáját és a benne lezajló folyamatokat.
A légkör az űrből
1. A troposzféra bemutatása - Változás a magassággal és a hőmérséklet - Különböző tájak - vízszintes kiterjedés - Miből áll a troposzférikus levegő?
2. Üvegházhatás, napsugárzás és a bioszféra - Üvegházhatás és a napsugárzás - Üvegházhatású gázok (vagy röviden üvegházgázok) - A növények mit bocsátanak ki? - A növénytakaró égése
3. Ózon és nitrogén oxidok - Ózon - mi ez és mi a szerepe? - Nitrogén-oxidok - mit csinálnak, és hogyan alakulnak ki? - Ózon szmog - Hogyan alakul ki?
1. Fejezet: A troposzféra bemutatása •
A troposzféra a talaj feletti légköri réteg, ahol az időjárás és az emberi élet zajlik. Vízszintes irányban általában nem látunk el messze, mert gyakran épületek, hegyek akadályozzák a kilátást, vagy a piszkos levegő csökkenti a látástávolságot. Ha az ég felé nézünk, olyan végtelennek tűnik. Valójában az ég, a Földet körülvevő légréteg, ami véd bennünket és az életet lehetővé teszi, nagyon vékony.
A légkör az űrből
Tematika • Mi változik a levegőben a magasság növekedésével? • Összehasonlítjuk a földfelszíni méreteket a legalsó légréteg, a troposzféra méreteivel. • Végiggondoljuk, hogy mennyire eltérhetnek a troposzféra tulajdonságai, attól függően, hogy hol vagyunk a Földön. • Megismerjük, hogy miből áll a levegő. Megértjük, hogy sok, az éghajlatunkban fontos tulajdonság nem a levegő fő összetevőiből származik, hanem a nyomgázokból, melyek egyenként gyakran kevesebb, mint egymilliomod részei a teljes légkörnek.
A troposzféra - változás a magassággal és a hőmérséklet Légkörünk alsóbb rétegeit, melyek a földfelszín közelében találhatóak, „troposzférának” is nevezik. Ez semmi más, mint a bennünket körülvevő levegő, a talajtól a legmagasabb felhőig. Ha felfelé nézünk, hajlamosak vagyunk túlbecsülni a légkör vastagságát.
A troposzféra kiterjedése A légkör megvéd bennünket az intenzív napsugárzástól, oxigént biztosít a légzéshez, és lehetővé teszi az életet a Földön. De ez csak egy nagyon vékony réteg.
A légkör (kékkel jelezve) számos rétegből áll. A legalsó réteg a troposzféra.
Habár a troposzféra a legvékonyabb légköri réteg, kb. 11 km a 12.800 km átmérőjű Föld körül, a levegő 90 %át tartalmazza. ⇒ a levegőben lévő molekulák 90 %-a itt található. A troposzféra a pólusoknál a felszíntől 7 km magasságig tart, míg az Egyenlítőnél 17 km-ig. A következő légréteg a sztratoszféra.
A két réteg közötti határ a tropopauza. De honnan tudjuk, hogy hol végződik a troposzféra? A hőmérséklet magasság szerinti menetében bekövetkező változás adja meg rá a magyarázatot.
Hőmérsékleti profil és a levegőtranszport A hőmérséklet csökken a magasság növekedésével. Annál hidegebb van a troposzférában, minél magasabbra megyünk. Érezhetjük, amikor túrázunk a hegyekben. De van egy magassági szint a légkörben, ahol ez a tendencia megváltozik. Ez a tropopauza hőmérsékleti minimum a légkörben. Sok kutató hideg csapdának nevezi, mert ez az a pont, ahol a felemelkedő levegő már nem emelkedik tovább.
Emelkedő levegő. Egy meleg légrészecske a troposzférában (piros) felemelkedik és kitágul az emelkedés során. Lehűl, amit az eltűnő piros vonal jelez, de még mindig melegebb, mint a környező levegő. Elérve a tropopauzát, nem emelkedik tovább, oldalirányba kitágul.
Ez fontos tényező a troposzféra dinamikájában és kémiájában, a felhőképződésben és az időjárásban.
• Mi ennek az oka? A meleg levegő könnyebb, mint a hideg. Ismerjük ezt a jelenséget a mindennapi életünkből. Ha kinyitod az ajtót télen, a hideg levegőt mindig a lábunknál érezzük először, mivel ez nehezebb, és a padlóra süllyed. Hasonlóan, mikor a reggeli meleg napsugárzás révén a földfelszín felmelegszik, a levegő a földfelszín közelében melegebb és könnyebb lesz, mint a felszíntől távolabb lévő. A talaj közeli levegő elkezd emelkedni, mint egy könnyű léggömb. Mindaddig, míg a környező levegő hidegebb (= nehezebb), képes emelkedni. A tropopauzánál ez az emelkedés megáll, mert a fenti levegő melegebb és könnyebb. Ez az oka, amiért meglehetősen nehéz a víznek (felhőknek) és kémiai anyagoknak áthatolnia ezen a láthatatlan hőmérsékleti határon a tropopauzánál. Ennek következtében a legtöbb levegőkémiai és időjárási folyamat a troposzférában játszódik le. Ha a víz nem képes magasabbra jutni a troposzféránál, felhők nem alakulhatnak ki magasabb szinteken, mivel a felhők vízcseppecskéket tartalmaznak.
A valós világ azonban sokkal bonyolultabb. A felszíni hőmérséklet nem mindenütt ugyanannyi a Földön, és a Föld körül nem mindenütt -50 °C a tropopauza hőmérséklete. Továbbá a hőmérséklet évszakonként is változik. A kép bemutatja a különböző hőmérsékleti profilokat különböző földrajzi szélességeken nyáron és télen (ami a trópuson közel azonos).
Hőmérsékleti profilok a troposzférában, és az alsó sztratoszférában (szaggatott vonal = száraz adiabata). Hőmérsékleti értékek: alul Kelvin (K) és Celsius (°C). A különböző profilok felülről lefelé: sarki tél, sarki nyár, mérsékelt övi tél, mérsékeltövi nyár, trópusok
Trópusok: zöld vonal; tropopauza, h > 15 km; mérséklet övi területek: világos piros = nyár; sötétpiros = tél; tropopauza, h > 10 km sarki területek: világoskék = nyár; sötétkék = tél; tropopauza, h < 10 km
•
Néha a troposzféra felszín közeli része egy kicsit eltérően viselkedik. Ezt „planetáris határrétegnek" nevezzük (PHR). Ebben a rétegben az olyan hatások, mint a súrlódás, hőtranszport, evaporáció, légszennyezés lényeges változást okozhat egy órán belül is. Ennek a rétegnek a vastagsága néhány száz métertől kb. 2 km-ig változhat. Az e fölötti részt szabad légkörnek nevezzük. A PHR-ben a legfontosabb folyamat a levegő összekeveredése, köszönhetően a délelőtti erős besugárzás hatására fölemelkedő levegőnek.
Különböző tájak - vízszintes kiterjedés • A troposzféra sokkal több, mit egy sima burok egy sima gömb körül. A felszín, a táj érdes és strukturált. Képzeljük el a troposzféra magasságát (ami kb. 11 km hazánk földrajzi szélességén). Majd vegyük figyelembe, hogy az óceánok mélysége 2-6 km, néhol még mélyebbek, hogy a hegyek a 3-6 km magasságot is elérhetik, néhány még ennél is magasabb. Ez kb. a troposzféra magasságának a fele. A troposzféra a légkör azon rétege, melyet a földfelszín erősen befolyásol.
A troposzféra - egy erősen strukturált szoba
Különböző tájak •
Nézzük meg a Földet és az amerikai kontinens két részét az alábbiakban, vizsgáljuk meg egy Földünket az alábbiak szerint: Keressük meg a számozott helyeket egy földrajzi atlaszban! Milyen ott a táj? Az éghajlat száraz vagy nedves? Milyen szélességeken száraz, hol nedves? Milyen éghajlati öv tartozik ezekhez a helyekhez? Milyen hőmérsékletet várunk télire? Milyet nyárra? És mennyi csapadékot? A troposzféra érinti a különböző felszíneket és éghajlati zónákat: száraz sivatag, havas hegycsúcsok, nedves esőerdők, …de ne felejtsük el: az érintkező terület 71 %-a víz - az óceánok.
A hegyek mélyen benyúlnak a troposzférába. A Dhaulagiri, (8167 m) magasabb, mint a troposzféra a sarkokon. Előtérben a Tibeti fennsík (h ≈ 5000 m)
A Föld az űrből
Yosemite Park, USA
Erie-tó, USA
Esőerdő, Amazonas, Brazília
El Paso mellett, USA
Atacama sivatag, Chile
Yosemite Park, USA
Erie-tó, USA
Esőerdő, Amazonas, Brazília
El Paso mellett, USA
Atacama sivatag, Chile
Köppen klímatérképe
Az emberiség a Földön •
Az emberi tevékenyég a mezőgazdaságot nem számítva, Földünk speciális területeire - a nagyvárosokra - koncentrálódik.
•
Az emberek sokszor úgy gondolják, ha néhány napon, vagy héten keresztül szokatlanul hideg vagy meleg az időjárás, túl sok vagy túl kevés eső, vagy hó fordul elő a vidékünkön, akkor az már éghajlatváltozás. De valóban van globális fontossága a klímaváltozásnak, ha ilyen szokatlan események történnek?
•
Éghajlatváltozáshoz észleléséhez legalább 30 éves periódus szükséges, ez 1560 hét. Ha a szokatlan időjárást egy hétig érzékeljük, akkor a földfelszín 1/1637-ed és az időintervallum 1/1560-ad részét figyeltük meg. Számunkra lehet, hogy klímaváltozásnak tűnik, de globális skálán ez csak egy helyi és rövid idejű kivétel.
A Föld éjszaka
Miből áll a troposzférikus levegő? •
A levegő néhány domináns és sok-sok nyomgázból áll, néhány közülük meglehetősen fontos az éghajlati rendszerünkben.
A gázfázis A legnyilvánvalóbb problémánk a levegővel az, hogy nem látjuk. Azonban, ha valami nem látható, az nem azt jelenti, hogy nem is létezik. Ha reggel látjuk a harmatot a fűszálakon, tudjuk, hogy mihelyt a napsugárzás megerősödik, el fog tűnni. A kis vízcseppecskék nem szívódnak fel a talajban, vagy tűnnek el valami varázslat hatására. Egyszerűen elpárolognak, megváltozik halmazállapotuk, folyadékból gáz halmazállapotba kerülnek. Ez a folyamat a látható és láthatatlan állapot között legkönnyebben érthető a víznél.
Reggeli felszálló harmat – Virgen-völgy Kelet-Tirol
• A száraz levegő 78 %-ban tartalmaz nitrogént, 21 %-ban oxigént és
1 %-ban argont. Ezen gázok is átalakulhatnak folyékony fázisba. De ehhez -150 °C fok alatti hőmérséklet szükséges, ilyen folyamatot sohasem figyeltünk meg még a természetben. Ezért a levegő gáz és láthatatlan a szemünknek.
Részecskék •
Amikor megnézünk egy képet egy szaharai homokviharról, nyilvánvaló, hogy sok homok és por van a levegőben. Elképzelhetjük, hogy ugyanez igaz a városokban, mikor az ipari, autókból származó szennyezőanyagot a levegőbe bocsátjuk. De még a legtisztább levegő is távoli helyeken, mint pl. az Antarktisz, vagy az óceánok fölött, tartalmaz kis részecskéket.
A légkör összetétele nitrogén (N2), oxigén (O2) és argon (Ar)
Aeroszol a Földközi tengerből Elektronmikroszkóp felvétel.
Kialakulhatnak kénsavból vagy vízpárából, esetleg más összetevőből, melyek a gázfázisból kondenzálódnak ki, hacsak nem közvetlenül történt a kibocsátásuk. A részecskék meglehetősen fontosak az éghajlati rendszerünkben. Szükségesek a felhőképződéshez, és képesek leárnyékolni a Föld felszínét a napsugárzástól.
Vízgőz Ha összegezzük a levegő összetételét, száraz levegőről szoktunk beszélni, víztartalom nélkül. A fő gázok (nitrogén, oxigén és argon a száraz levegő összetételének közel 100 %-át adják, és valóban néhány nyomgáz marad hátra (a legfontosabb a CO2 0,037 %-kal). A vízgőz azonban nagyon egyenetlen eloszlásban található a légkörben. Mennyisége függ az éghajlati feltételektől, a hőmérséklettől. A vízpára mennyisége a troposzférában 0,1 % és 4 % között változik, és a tropopauza fölött bárhol majdnem nulla a mennyisége. A hideg levegő kevesebb vízpárát képes felvenni, mint a meleg levegő.
Nyomgázok Hihetetlennek tűnik, de számos éghajlati folyamatot meghatároznak a légköri nyomgázok, melyek csak nagyon kis mennyiségben vannak jelen, pl. egymillió, vagy egymilliárd molekula közül csak néhány darab. A CO2 üvegházhatású gáz mennyisége 280 ppm-ről 370 ppm-re növekedett, az iparosodás előtti időktől kezdve napjainkig. A gáz koncentrációja tovább növekszik, ami az emberi tevékenységnek köszönhető, melyek közül a legfontosabb a fosszilis A teljes függőleges víztartalom üzemanyagok elégetése. Két másik globális áttekintése, 1989 július fontos üvegházgáz még a metán (1,7 ppm) és az ózon (0,04 ppm). Továbbá ezernyi szerves és szervetlen gáz van, melyeket a növények bocsátanak ki (gondoljunk csak a növények illatára), vagy az ipari folyamatokból kerül ki (gondoljunk az oldószerekre), vagy a légkörben zajló kémiai folyamatokban képződik. Hozzájárulnak bonyolult kémiai folyamatokhoz, főleg az légkör alsóbb rétegeiben, a troposzférában.
2. fejezet: Üvegházhatás, napsugárzás és a bioszféra •
Amikor az éghajlatról beszélünk, a legtöbb embernek a globális melegedés jut az eszébe. És amikor a globális melegedésről esik szó, a legtöbben az üvegházhatásra gondolnak. De mi is az üvegházhatás pontosan?
Az ember okozza a Földön az üvegházhatást? •
Az éghajlatunkat kormányozó energia a Napból származik. De mi történik ezzel az energiával, amikor áthalad a légkörön? Mi történik, mikor a sugárzás ráesik a felhőre, mikor eléri a földfelszínt? Nemcsak a Napból érkezik sugárzás a Földre. A Föld felmelegszik, és visszasugároz. Ez a sugárzás sem jut egyenesen vissza az űrbe. Vannak üvegházhatású gázok és felhők az űr és a földfelszín között. Ezen fejezet első részében azt látjuk majd, hogy milyen Földünk energiaellátása, és megismerjük az üvegházhatást.
• A második részben meglátjuk, milyen növények bocsátanak ki anyagokat a légkörbe, akár életük során, akár ha elégnek.
Üvegházhatás nélkül nem lehetne élet a Földön.
Üvegházhatás és a napsugárzás •
Bármi ami áramot ad a Földön, az kapcsolatban van a Nappal. De mi történik a Napból érkező sugárzással a Föld felé vezető útja során és a világűrbe visszafelé haladó energiával?
A légkör befolyásolja a napsugárzást •
Ahogyan az első fejezetben megismertük, a levegő gázokból áll. Vannak lebegő részecskék is a levegőben, és sok vízpára, ami néha kicsi cseppeket alkot, melyekből felhők keletkeznek. Porviharban, amikor a Nap halvány, vagy egy esős napon, amikor felhők borítják az eget, sokkal sötétebb van, mint egy napfényes napon, amikor nincsen felhő és tiszta az ég. El tudjuk képzelni, hogy az a sugárzás, ami eléri a földet, változik. Azonban nemcsak a felhők, hanem a láthatatlan gázok is befolyásolják a beérkező sugárzást.
Energiaegyensúly •
Amikor a napsugárzás eléri a Föld különböző tájait, felmelegíti azokat. A tengerek vize melegebb nyáron, az utcákon az aszfalt annyira felforrósodhat, hogy mezítláb nem is tudsz rajtuk sétálni. Mivel a Föld a meleget nem tárolja örökké, visszasugároz energiát az űr felé. A Föld által kibocsátott sugárzás különbözik a napsugárzástól. A napfény túlnyomó részt látható (VIS) és ultraibolya (UV) sugárzás. A Föld kisugárzása nem látható, infravörös, vagy hosszúhullámú, vagy hősugárzásnak hívjuk. Ez kevesebb energiát tartalmaz, mint a napsugárzás.
Minden energia a Napból származik.
•
Meg kell tanulnunk egy fontos szabályt: Ha a Föld nem sugározná vissza a Napból érkező energiát, akkor az energia felhalmozódna a Földön, és egyre melegebb lenne. De nem ez történik. Az energia egyensúlyban van. Ez azt jelenti: A Föld annyi energiát sugároz ki, mint amennyit kap. A következő képen a napsugárzást sárga nyíllal jelöljük, a Föld által kibocsátott infravörös sugárzást pedig pirossal.
Mi történik a sugárzással?
Mi történik, amikor a sugárzás áthalad a légkörön? 1. A Napból érkező sugárzás •
(1) A Nap lényegében minden sugárzás, és energia forrása, ami a Föld felé jön az űrből. (2) A napfény egy része eléri a felszínt, különböző felszínformákat: erdők, óceánok, sivatagok, szavannák, városok, jég és hó. (3) A földfelszín nem nyel el minden, hozzá érkező napsugárzást, hanem egy részét azonnal visszaveri (reflekszió). Főleg a nagyon fényes felszínek, mint jég és a hó kiváló visszaverők. (4) A reflekszió nemcsak a földfelszínen fordul elő. A napsugárzás egy részét már a felhők is visszaverik. (5) A napfényt nemcsak a földfelszín nyeli el (abszorpció), hanem a levegőben lévő molekulák és részecskék is.
2. A földfelszínről visszaverődő sugárzás A sugárzás felszínt elérő része melegíti azt. A Föld ezt a hőt infravörös sugárzás révén kisugározza. Nézzük meg, mi történik ezzel a hősugárzással. (6) A Nap által felmelegített felszín a hősugárzás forrása (hosszúhullámú infravörös sugárzás). (7) Az energia egy része arra kell, hogy elpárologtassa a vizet. A saját tapasztalatunkból tudjuk hogy amikor vizet melegítesz, energia szükséges ahhoz, hogy a víz a folyékony állapotból (pl. óceánok), gőz fázisba kerüljön (vízgőz a levegőben). (8) Az infravörös sugárzás egy része azonnal kisugárzódik az űrbe. De ez nem nagy hányad. (9) A felhők nemcsak visszaverik a sugárzást, hanem elnyelik és újból kisugározzák hosszúhullámon, a Föld felé is. A felhős ég melegen tartja a Földet, mint egy takaró. (10) Végül vannak részecskék, gázok a levegőben, melyek elnyelik a infravörös sugárzást. Ezeket a gázokat nevezzük üvegházgázoknak. Ezek a hősugárzásból származó energiát a felszín közelében tartják.
Mindezek a légköri és felszíni kölcsönhatások az éghajlati rendszerünkben történnek, és figyelembe kell őket venni, ha meg akarjuk érteni éghajlatunkat. De miért nevezzük ezt üvegházhatásnak?
Üvegházhatás - összehasonlítva az üvegházat és a Földet! Az üveg átengedi napfényt, ami az üvegházban felmelegíti a talajt és a növényeket. Ezek hosszúhullámú hősugárzást bocsátanak ki, ami nem tud az üvegen áthatolni, s szemben a beérkező napsugárzással, elnyelődik és újból kisugárzódik. (Megjegyzés: az üveg homogén és akadály a meleg levegő konvekciójában, ezért a hasonlat nem teljesen tökéletes.) Ez az a folyamat, amit az üvegházgázok is tesznek a légkörben: Átengedik a napsugárzást, de nem engedik át a földfelszínről érkező hősugárzást.
Az üvegházgázok és hatásaik
•
Az üvegházhatás nagyon fontos a földi élet szempontjából. Ha a légkörben nem lennének üvegházgázok, a felszíni globális átlaghőmérséklet kb. 30 °C-kal lenne alacsonyabb, mint a mostani 15 °C.
•
Az üvegházgázok visszatartják a hőt és meleg réteget alakít ki a földfelszín közelében.
Milyen gázok okozzák az üvegházhatást? •
A legfontosabb üvegházgáz a vízgőz (az üvegházhatás kb. 60 %-áért felel). Elfogadott, hogy a globális vízgőztartalom az elmúlt századokban nem változott jelentős mértékben. A szén-dioxid ugyan csak a második legfontosabb üvegházgáz (kb. 20 %-ban felelős érte), keverési aránya azonban sokat nőtt az iparosodás előttihez képest, 280 ppm-ről 370 ppm-re. A metán és az ózon mennyisége is növekedést mutat. Az üvegházgázok nyomgázok, (a CO2-őn kívül) egymilliomod, vagy kevesebb részét képezik a teljes légtömegnek.
A sugárzási kényszer relatív eloszlása %-ban az egyes troposzférikus üvegházgázokra 1750 (iparosodás előtt) és 2000 között. Ez az ember által okozott üvegházhatás egy mérőszáma. Láthatjuk, hogy a CO2-nek van a legnagyobb hatása.
•
Számos tudományos publikációban a földi melegedést sugárzási kényszerként említik. Mértékegysége: W⋅m-2. Az iparosodás óta (1750-es évektől) napjainkig (az adatok 2000- ből valók) az emberi tevékenységnek köszönhetően az üvegházgázok mennyisége sokat nőtt. Az alábbi számok azt mutatják, hogy mennyit nőtt a sugárzási kényszer a levegőbe kerülő üvegházgáz-többlet hatására. A kördiagram az egyes gázok relatív hozzájárulását mutatja. Az iparosodás óta kibocsátott üvegházgázok sugárzási kényszere (1750 - 2000) 1,46 W⋅m-2: CO2 (szén-dioxid); 0,48 W⋅m-2: CH4 (metán); 0,24 W⋅m-2: CFC 11+12 (halogénezett szénhidrogének); 0,35 W⋅m-2: troposzférikus ózon; 0,15 W⋅m-2: N2O (dinitrogén-oxid) (Adatforrás: IPCC TAR 2001)
A bioszféra kibocsátása •
Nemcsak üvegházgázok vannak, amik a légkörbe kerülnek, hanem ezer más kémiai anyag. Sok közülük szerves és a bioszféra (fák, az óceán planktonjai és más növények) bocsátják ki őket. Globálisan a bioszféra ezekből az anyagokból többet bocsát ki, mint az emberek.
•
A szén egy fontos elem az élővilágban. Azokat a vegyi anyagokat, amelyek szenet, hidrogént, gyakran oxigént, és néha más elemeket is tartalmaznak (nitrogén, foszfor, kén), szerves anyagoknak nevezzük. Az ember sokat kibocsát közülük, mint pl. az oldószerek, az autók kipufogó gázai révén, és vegyipari folyamatok során (pl. olajfinomítás). Mivel legtöbbünk városban, vagy falun él, nehéz elhinni, hogy nem az ember a fő kibocsátó. De globális skálán vannak még ritkán lakott erdős területek, szavannák, továbbá az óceánok, ahol jelentős a természetes kibocsátás.
Mit bocsát ki a bioszféra?
Rizsföld - Bali, Indonézia
Ha átmegyünk egy erdőn, vagy egy füves területen, számos szerves gázról szerezhetünk benyomást a szaglásunk révén, melyeket fák, füvek, virágok bocsátanak ki. Világszerte évente több mint 1000 millió tonnát bocsátanak ki. Ezen összetevők közül a szerves anyagok nagy része izoprén (kb. 500 millió tonna⋅év-1), és monoterpének (130 millió tonna⋅év-1). Összehasonlításként az ember kb. 200 millió tonna szerves anyagot bocsát ki évente (a metánon kívül).
Szagoljuk meg a fenyő tűleveleit, és ilyen monoterpéneket fogunk érezni. Növények termelik és bocsátják ki őket a leveleken keresztül, különösen valamilyen stresszhatásra reagálva (pl.: hő, aszály, sérülés …), de a normális életük során is.
•
•
•
Kb. 200 millió tonna⋅év-1 metán származik természetes forrásból. Az ember nagyjából ugyanekkora részben járul hozzá a kibocsátáshoz, kérődzők tartásával és rizsföldek művelésével. Azt is figyelembe kell vennünk, hogy a földfelszín 71 %-át óceán borítja, és sok élő szervezet található a vízben (pl. algák). Itt is játszódnak le kémiai folyamatok, amelyek az eredményeként szerves gázok kerülnek a légkörbe, pl. 45 millió tonna dimetil-szulfid évente. Ez a szerves kénvegyület kénsavvá oxidálódik a légkörben, ami tengeri felhők kialakulásához vezet. Az éghajlati rendszerünk és a légköri folyamatok megértése nemcsak annak a megfigyelését jelenti, hogy az ember a kibocsátásokat hogyan változtatja meg, de az is fontos, hogy a növények milyen módon vesznek részt a globális körfolyamatban, és hogyan változhatnak meg ezek a hozzájárulások. Nézzünk meg három különböző példát, hogy megértsük a bioszféra kibocsátásának fontosságát.
Izoprének és monoterpének globális kibocsátásának becslése. Az izoprének és a monoterpének szerves anyagok, melyeket nagy mennyiségben bocsátanak ki a fák és más növények. A kép a sárga körökben az izoprén és a pirén (az egyik leggyakoribb monoterpén) molekulák szerkezeti képletét mutatja, s azt, hogy mennyit bocsátanak ki belőlük.
Monoterpének •
A monoterpének hozzájárulnak számos növény illatához, pl. a tűlevelek illatához az erdőben, vagy a narancs, citrom gyümölcsének illatához. A monoterpének szerves vegyületek, szenet, hidrogént és néha oxigénatomokat tartalmaznak. Jól hangzó nevük van, mint limonén vagy pinén. Fák és más növények termelik őket, a legintenzívebben meleg reggeli napokon, az első napsugarak hatására. A növények eltárolhatják ezeket, vagy közvetlenül bocsátják ki a légkörbe. Ha a növények stresszes állapotban kerülnek (pl. hőség, aszály vagy sérülés hatására), akkor megnövekszik a termelésük.
A Nagy Füstölgő hegyek (USA) a kékes színben, amit a feltételezések szerint a biogén részecskéknek köszönhető.
A baloldalon egy monoterpénnek, a bétapirénnek (balra), és az egyik legfontosabb természetes szerves anyagnak az izoprénnek (jobbra) a szerkezeti képlete látható. Mind a kettő vegyület telítetlen. Ez azt jelenti, hogy C=C kettős kötésük van, ami piros karikával van kiemelve. Azért, hogy a bonyolult szerves molekulák szerkezete átláthatóbb legyen, a vegyészek nem rajzolják fel a C és H atomokat. Az izoprént láthatjuk mind a két formában, C és H atomok nélkül fent, és velük együtt az alsó képen.
A növényi kibocsátás hatása a légkörben •
A légkörbe kibocsátott anyagok, mint a terpének, kölcsönhatásba lépnek oxidáns anyagokkal (pl.: OH, vagy ózon). A végeredmény más vegyületek, melyek kondenzálódni tudnak a levegőben, és részecskék képződnek, vagy a már meglévő részecskék méretét növelik. Ezek a részecskék, melyeket aeroszoloknak is nevezünk, a levegőben lebegnek, és szükségesek ahhoz, hogy felhők alakuljanak ki. Mivel az aeroszolok különböző vegyi anyagai különböző felhőképző folyamatokban vesznek részt, mind a növényi, mind az ipari kibocsátás erős hatást gyakorol a felhők kialakulására. Az aeroszolképződés még látható is lehet: Olykor ez kék páraként jelenik meg az erdők felett, de ez szimulálható is tűlevelekkel laboratóriumban.
A kék pára szimulációja a laboratóriumban. Egy erős lámpa fénysugara segít, hogy láthatóvá tegyük a párát a dobozban, amikor az ózon reakcióba lép a tűlevélből származó monoterpénnel.
Dinitrogén-oxid N2O
Lucerna (Medicago varia) A mezőgazdaságban a nitrogén levegőből való felvételére használják.
A nitrogén fontos elem az élővilágban. Része olyan fontos biomolekuláknak, mint a proteinek, aminosavak, a DNS, vagy az energia-szállító molekuláknak, melyek kulcsszerepet játszanak minden élő szervezetben. A növények a nitrogént a talajban lévő nitrátból, vagy ammóniából veszik fel, ahova a baktériumok révén kerül a légköri nitrogén megkötésével. A baktériumok a nitrátot dinitrogén-oxiddá is bontják, ami gáz, ami a légkörbe jut. Mivel a dinitrogén-oxidok rendkívül stabilak, a troposzférában nem bomlanak szét, s a sztratoszféra legfontosabb nitrogén-oxid forrásai. Ott azokban a reakciókban szerepelnek, melyek bontják az ózont, és végül visszajutnak a talajra, mint salétromsav. A nitrogén-oxid kibocsátás a növekvő műtrágyázás hatására növekszik. Kb.15 millió tonnát bocsátanak ki évente világszerte.
Dimetil-szulfid •
A kénsav és a víz kis láthatatlan részecskéi alakítják ki a felhőket az óceánok fölött. De honnan származik a kénsav? A kén összetevők nagyon fontosak, különösen a tengeri bioszféra anyagcseréjében, mivel a szulfátok mindenhol megtalálhatók az óceánokban. Az algáknak speciális kénvegyületekre van szükségük, pl. a víznyomásuk szabályozására. Lebomlásuk esetén gáz, szerves kénvegyület – a dimetil-szulfid kerül a légkörbe. Itt kén-dioxiddá oxidálódik, s végül kénsavvá, mely a felhőképződéshez szükséges. Az „Óceánok” témakörben fontos fejezeteket találunk majd a fitoplanktonok óceánokban betöltött fontos szerepéről.
A növénytakaró égése •
Földünkön a tűz természetes jelenség. A száraz időszak és villámlás következtében mindig kialakulnak a természetes tüzek, melyek a növényzet újjászületését szolgálják. Azonban manapság a legtöbb tüzet az ember okozza, különösen a trópusi térségben.
•
Az emberi tüzek a figyelmetlenség, vagy szándékos gyújtogatás következtében alakulhatnak ki. Sok esetben az ok a földhasználat szervezett megváltoztatása. Kiemelendő a trópusi esőerdők nagy területeinek felégetése, hogy a területet mezőgazdasági művelésre használják.
•
Tüzek hatalmas esőerdőkben óriási területet pusztítottak el Indonéziában 1997-ben: • A bal oldali kép a szennyezést mutatja, amit a TOMS műhold észlelt Indonézia és az Indiaióceán fölött 1997 október 22-én. A fehér szín az aeroszolokat mutatja (füst), ami a biomassza égésekor került közvetlenül a levegőbe, és a tűz közelében marad. A zöld, sárga, és piros pixelek a növekvő troposzférikus ózont (szmog) Trópusi erdőtűz füstje Indonézia fölött mutatják, melyet nyugat felé szállítanak a nagy magasságú szelek. Az ózon nem közvetlenül a tüzekben alakul ki. A légkörben képződik, amikor a szerves vegyületek oxidációja nagy mennyiségű nitrogén-oxid (NO, NO2) jelenlétében történik. A nitrogén-oxidok a forró lángokban alakulnak ki. Amint látható, a tűz nemcsak a tájképet változtatja meg, hanem a levegő kémiai összetételét is.
Mit bocsátanak ki a tüzek?
Szavannatűz nyitott szavannán, Közép-Kenyában
A biomassza égéséből származó kibocsátás gáznemű vegyületeket tartalmaz: szén-dioxid (CO2), szénmonoxid (CO), nitrogén-oxidok (NOx) (= NO + NO2), metán (CH4), s nagyobb szénhidrogének, továbbá részecskékből álló anyagok, főleg szerves szén és korom. A biomassza égetés a globális CO- és NOx-háztartás fontos eleme. Sok CO2-t bocsátunk ki akkor is, ha az öreg, sok biomasszát tartalmazó erdőket felégetjük.
Másrészt a természetes szavannatüzek, nem feltétlenül CO2 források, mivel a korom részben a talajon tárolódik, mint üledék, és a tűz utáni friss fű a következő évszakban felveszi a CO2-őt növekedése alatt. Ezért valamilyen egyensúly áll fenn, és nem lenne problémánk, ha az ember nem avatkozna be.
Példa: Szén-monoxid (CO)
A szén-monoxid forrásai
A kördiagram áttekintést ad a globális légköri szén-monoxid forrásokról [Tg = millió tonna]. A biomassza-égetés dominál. A: Technológiai = 400 Tg CO / év B: Biomassza égetés = 748 Tg CO / év C*: Szárazföldi bioszféra = 100 Tg CO / év D: Óceánok = 13 Tg CO / év *elsődlegesen a talajok (növényi anyagok) bomlása, IPCC 1996 CO becslése az óceánokra és talajokra együtt 80-360 Tg CO / év. A globális nitrogén-oxid kibocsátás kb. 20 %-a a növényi tüzekből származik. Mivel az NOx hozzájárul az ózon kialakulásához, nagy koncentrációban találhatunk ózont a tüzek fáklyáiban.
A földhasználat megváltozása •
Ha az évszázados erdőket átalakítjuk mezőgazdasági területté, vagy kisvárosokká, utcákká, akkor az ember lerombolja az eredeti növényzetet, és visszafordíthatatlan folyamatot okoz ezáltal a szerves anyagok CO2-vé való átalakulásában. Ez az, amit mi a földhasználat megváltozásának nevezünk. Ezt a dolgot pl. az afrikai, brazíliai esőerdőkben már részletesen tanulmányozták. Tekintsük át a Rondôniában (Brazília) folytatott kampányt.
Mérőhely Rondônia tartományban, Brazíliában - LANDSAT műholdkép
Rondônia tartomány, Brazília LANDSAT műholdkép
A műholdkép megmutatja a mérőhely elhelyezkedését (nyíl) a Dél-Közép-Amazóniai medencében, valamint a területen végzett nagy erdőirtást. Itt az erdőirtás kb. 25 évvel ezelőtt kezdődött, miután 1968-ban a Cuiabá-Porto Velho autópályát átadták, a telepesek elkezdték „megtisztítani” a erdőt, kialakítva a műholdképen is jól látható tipikus halszálkás mintát.
A tüzek a júniustól-novemberig terjedő időszakban fordulnak elő. A jobb oldali kép összehasonlítja az 1999-es májust (felső kép, nedves évszak) és az 1999-es szeptembert (alsó kép, száraz évszak). A különbség nyilvánvalóvá válik, ha megnézzük a jobboldali térképen a tüzet jelző pixeleket. A piros és sárga színek jelképezik a tüzeket. A kutatók szűrővel aeroszolokat gyűjtöttek mindkét évszakban. A nedves évszakban a mintavétel után a szűrők általában tiszták voltak (felül balra), míg teljesen feketék a koromtól és szerves anyagoktól az erdőtüzek időszakában (alul balra). A földhasználat megváltozásából származó CO2 90 %-a ilyen erdőtüzeknek köszönhető.
Mérés az esőerdőben a nedves és a száraz, erdőtüzes évszakban.
3. fejezet: Az ózon és nitrogénoxidok, mint kulcsvegyületek • A légkörben előforduló legtöbb vegyi folyamat oxidatív folyamat. A hidroxil-gyök (OH) mellett, főleg két másik anyag dominál ezekben a folyamatokban. Ezek a nagyon fontos nyomgázok: az ózon O3 és a nitrogén oxidok NO, NO2, NO3. Ebben a fejezetben megismerhetjük ezen anyagok főbb jellemzőit és képződésüket. Az ózon szerepét gyakran félreértik. Amíg ez a gáz a troposzférában nem kívánatos, alapvetően szükséges a sztratoszférában. Láthatjuk majd a troposzférabeli negatív hatásait, és az ózonszmog kialakulását.
A troposzférikus ózon Az ózon valószínűleg a legnagyobb hírű gáz az éghajlattudományban. Miért? •
Nagyon ellentmondásos gáz, néha szükséges, néha nem. Egyes emberek panaszkodnak az ózon-szmog miatt. A legrosszabb esetben nem közlekedhetünk autóval, mert túl sok ózon képződne.
•
Másrészt az emberek panaszkodnak, mert az ózonréteg vékonyabbá válik, ugyanis az ózonra szükség van, hogy megvédjen minket a bőrráktól. Végül még a kutatók azt mondják, hogy az ózon üvegházgáz, és hozzájárul a Föld felmelegedéséhez. Mi igaz mindebből??? Valójában mindegyik igaz. Látni fogjuk, hogy a talaj közeli ózon mennyire káros a növények és az emberek számára, valamint azt, hogy üvegházgáz. A „magaslégkör” témakörben olvashatunk az ózon mint UV sugárzás elleni védőburok szerepéről. Látni fogjuk, hogy ugyanannak a gáznak számos hatása lehet.
Tartós kár, tipikus példa az ózon levelekre való negatív hatására. Itt: Madárcseresznye (Prunus serotina) (őszi cseresznye) 0 %-a, 4,4 %-a, 7,8 %-a, 12,3 %-a és 24,5 %-a károsodott.
Az ózonszintet az összes levegő százalékában.
A légköri ózon 85-90 %-a a sztratoszférában található. AS legmagasabb ózonkoncentrációt 25-40 km magasságban találunk. Ott az ózon hasznos, és megvéd bennünket a bőrráktól. De ebben a fejezetben a troposzféráról beszélünk. A troposzférában csupán kis mennyiségű ózonra van szükség, azért hogy a tisztító kémiai folyamatok elinduljanak.
Az utóbbi évtizedek során az ózon koncentrációja folyamatosan nőtt a troposzférában. Néha, az ózon-szmog idején, bizonyos területeken olyan magas volt, hogy már veszélyes volt az egészségünkre.
Veszélyes a légzőszervekre •
Az ózon egy reagens és ingerlő hatású gáz, ami magas koncentrációban légzési problémákat okoz. Gyulladást okozhat a tüdőben és a hörgőkben, ami általában gyógyítható. A testünk próbálja megvédeni a tüdőnkben lévő léghólyagokat az ózontól. De ha kevesebb ózon juthat be, akkor az oxigénből is kevesebb kerül be. Ha az oxigén-ellátottság csökken, a szívnek egyre jobban kell dolgoznia. Egyes emberek, akiknek már más egészségi problémái is vannak (pl. asztma) veszélybe kerülnek. A legrosszabb esetben az ózon halálhoz vezethet.
Az oxigén formái
Az oxigén három formája, teljesen más a stabilitással. A nyíl a növekvő reakcióképességet mutatja.
Az ózon az oxigén speciális formája. A normál oxigén (O2) kettő oxigénatomot tartalmaz, az ózon hármat (O3). Kevésbé stabil és reaktívabb, mondhatjuk úgy is, hogy agresszív. Az ózon képes arra, hogy bontsa a szerves anyagokat. Ez az oka annak, hogy az emberi szervezetet és a növényzetet is megtámadja, ahogyan a levelek esetében már láttuk.
A levegőben lévő oxigén formái Oxigén formái
Atomok száma
Kémiai stabilitás
Megjelenése a légkörben
Atomos oxigén
1 atom
instabil / nagyon reaktív
elhanyagolható mennyiségben, nyomgáz
'normál' oxigén
2 atom
stabil
a levegõ 21%-a
ózon
3 atom
meglehetõsen stabil / reaktív
10 - 100 ppb
Üvegházgáz Végül, mint a szén-dioxid (CO2) és a metán (CH4), az ózon is elnyeli a Föld felől érkező hosszúhullámú sugárzást, és hozzájárul az üvegházhatáshoz. A harmadik legfontosabb üvegházgáz. A sugárzási kényszer (ΔF) megnövekedése az iparosodás (kb. 1750) óta a Föld felmelegedéséhez való emberi hozzájárulás mérőszáma. Az ábra a troposzférikus ózon hatását mutatja, összehasonlítva más üvegházgázokkal. Mindezen okok miatt nem akarunk magas ózonkoncentrációt a troposzférában.
Számítsuk ki, hogy melyik gáz mennyivel járul hozzá a globális felmelegedéshez!
A mellékelt ábra néhány üvegházgáznak a sugárzási kényszerhez (F; W⋅m-2) való pozitív hozzájárulását mutatja. A felszíni átlaghőmérséklet (ST) és a sugárzási kényszer kapcsolata a következő: ST / F = 0,5 °C / W⋅m-2 (IPCC, 2001, TAR 1. kötet, 6.2.1 fejezet) A különböző gázok hozzájárulása a sugárzási kényszerhez (Δ F)
Nitrogén-oxidok – kialakulásuk és szerepük •
A nitrogén oxidok fontos szerepet játszanak a légköri folyamatokban. Hogyan alakulnak ki, miért fontosak?
Közlekedés fontos nitrogén-oxid forrás
Honnan származnak a nitrogén oxidok?
A villámlás egy másik fontos nitrogén-oxid forrás
A legfontosabb nitrogén-oxid a nitrogénmonoxid (NO) és a nitrogén-dioxid (NO2). Kettőjüket együtt NOx-nek is nevezzük. A nitrogén-molekula (N2) a levegőben nagyon stabil, és nem könnyű oxidálni. Néhány baktérium kifejlesztett egy speciális eljárást, amivel felbontja a N-N hármas kötést és oxidált vegyületet alakít ki. Ennél messze lényegesebb az a folyamat, ahol a kötés hő hatására szakad fel. Ez csak extrém körülmények között megy végbe. Erre példa az üzemanyag elégése az autó motorjában. A legtöbb antropogén NOx ebből a forrásból származik. Ez más nagyon forró reakcióban is előfordulhat, pl. az égő biomassza legmelegebb lángjaiban. Végül a villámlás is egy fő forrás. A kisülési csatornában a hőmérséklet eléri a 30.000 °C-ot, és itt könnyen felbomlanak a nitrogén kötései.
Hol szerepelnek?
Nitrogén-oxidok a légköri folyamatokban (sárga: nappal; szürke: éjszaka)
A légköri kémiában majdnem mindenhol találkozunk NOx-kel (= NO + NO2) és más nitrogénoxidokkal. Az éjszaka alatt nitrát gyökök NO3 alakulnak ki, melyek a legerélyesebb oxidánsok. A gyökök nagyon instabilak, és általában nagyon gyorsan reakcióba lépnek. Ha N2O5 alakul ki a szennyezett levegőben, az reakcióba lép a cseppekkel, vagy a nedves felszínnel és salétromsav HNO3 alakul ki. A HNO3 hozzájárul az eső savas jellegéhez.
A salétromsav képződése, amely napsugárzás hatására is kialakulhat az NO2 oxidácója során, az elsődleges módja annak, hogy a nitrogén-oxidok ismételten kikerüljenek a légkörből, akár száraz, akár nedves ülepedéssel (eső révén kimosódva). A salétromsav a sarki sztratoszférikus felhőkben is megtalálható. A salétromsav-trihidrát képezi azokat a részecskéket, amelyek az ózonlyuk kialakulásáért felelősek.
Nitrogénvegyületek Képlet
Rendszertani név
Mindennapi név
NO
nitrogén monoxid
nitrogén oxid
N2O
dinitrogén monoxid
kéjgáz
NO2
nitrogén dioxid
nitrogén peroxid
N2O5
dinitrogén pentoxid
salétromsav anhidrid
N2O3
dinitrogén trioxid
dinitrogén anhidrid
HNO3
-
salétromsav
NH3
-
ammónia
A nitrogén oxidok mint gázok nagyon fontosak a troposzférikus ózon kialakulásában és lebomlásában, mert a katalitikus körfolyamat résztvevői. Ez főleg azért van, mert az NO2 napfény hatására fotokémiailag elbomlik. NO képződik, ami ismét NO2-vé alakul. Az ózon mint a többi szerves peroxi-gyök (instabil oxidált vegyület) bekerülhet ebbe a körfolyamatba, mint ahogy részletesen látni fogjuk a következőkben. Az autókban lévő katalizátor feltalálásának fő oka az volt, hogy elkerüljük a túl nagy nitrogén-oxid kibocsátást. Ugyanis túl sokat bocsátunk ki belőle az égési folyamat során, különösen az autókból, ami megzavarja a légköri egyensúlyt.
Dinitrogén-oxid jöhet létre, pl. baktériumok révén az ún. lebomlási folyamat során. E parányi elő szervezetek mikrobiológiája fontos szerepet játszik a nitrogén körfolyamatban. Azonban az N2O nem lép reakcióba a troposzférában. Direkt módon a sztratoszférába kerül, ahol napfény hatására (fotolízis) felbomlik. Az ammónia igen fontos gáz a légkörben. Forrásai pl. az állattartó telepek és a trágya, de mikrobiológiai bomlásból (baktériumok révén) szintén keletkezhet. A salétromsavval együtt só részecskét, ammóniumnitrátot NH4NO3 alkothat.
Nitrogén-oxidok a levegőkémia középpontjában
Nitrogén-oxidok – a levegőkémia középpontjában
Még ha nem is néztük végig pontosan a nitrogénoxidok kémiáját, jegyezzük meg, hogy ezek az anyagok bizonyos mértékig a levegőkémia szívét alkotják. A kémiai vegyületek fő része, mely oxidálódik, kikerülhet a légkörből, átalakulhat más vegyületekké, ha közvetve vagy közvetlenül érintkezik az NO-val vagy NO2-vel.
Ózon-szmog •
Az ózon-szmog a nagyvárosok levegő szennyezésének része. Az ózon bonyolult folyamatban alakul ki, amiben a nitrogén-oxidok is részt vesznek. Az ózon képződése és lebomlása is a folyamathoz tartozik. Ez példa arra, hogy a levegőben mennyire különböző folyamatok között van kapcsolat.
Mi történik a városban?
NOx-kibocsátás a városban A folyamatok termékeit a szél kiviszi a városból
Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy majdnem minden nitrogén-oxid az autókban lejátszódó égési folyamatból származik. A NO-ban gazdag levegő felemelkedik az utcákról és az autópályákról. Az első reakció ami végbemegy, az nem az ózon keletkezése, hanem az ózon lebomlása, mivel a NO-t az ózon oxidálja, és NO2-vé alakítja. Valóban, közvetlenül az utcák felett és közel az autóutakhoz az ózon koncentrációja gyakran nagyon alacsony.
Ózon-szmog idején az ózon koncentrációja a városban alacsonyabb lehet, mint a környező vidéki területeken. A NOx-ben gazdag levegő fáklya formájában a széllel vidékre szállítódik.
A szerves összetevők honnan származnak?
Szerves kibocsátás az erdőkből, és az iparból
Az ózon kialakulásához azonban szükség van szerves peroxidokra is. Honnan származnak ezek? Szerves molekulákat bocsátanak ki az erdők és más növények, de van emberi forrása is (pl.: oldószerek, vagy a benzinkutaknál az üzemanyag). Megmutatjuk néhány szerves vegyület szerkezetét, amit RH-val rövidítünk. Ezek a vegyületek levegő jelenlétében kémiai reakcióba lépnek. Az egyik leggyakoribb reakció a hidroxigyökökkel (OH) zajlik le, amihez napfény szükséges. Ezután egy oxigén-molekulával egyesül.
Az eredmény egy peroxi-gyök RO2. R jelenti a szerves részt, ami a molekula azon része, amelyik nem vesz részt a reakcióban. A gyököknek van egy szabad elektronjuk, melyet egy ponttal jelölünk, s ami nagyon reaktívvá teszi őket.
Mikor a legkedvezőbbek a feltételek az ózon-szmog kialakulására? A város körül a vidéki területek felett történhet az ózonképződés: 1) Fotolízis réven a nitrogén-*dioxid (NO2) felbomlik és O-atom és nitrogén-monoxid képződik; 2) Az O-atom reakcióba lép a levegőben lévő molekuláris oxigénnel, és kialakul az ózon (O3).
Az ózon-szmog kialakulása
3) Nitrogén-monoxid reakcióba lép a peroxi-gyökkel RO2 és ismét nitrogén-dioxid NO2 keletkezik. 4) Az ózon egy részét az NO elbontja a peroxi-gyök RO2 koncentrációjától függően.
Végül a peroxi-*gyökök elfogynak, az ózon egészen addig képződik, míg a nitrogén-oxidok a ciklust végig tudják csinálni. Ez csak akkor történhet meg, ha: a) elegendő napfény van a hatékony fotolízishez (forró nyári napokon); b) a peroxi-gyökök és a nitrogén-oxidok mennyisége kedvező az ózon kialakulásához.
A teljes ózon oxidációs ciklus
• • • •
Ha nincsen nitrogén-oxid, akkor a reakció nem játszódik le. Ha túl sok a nitrogén-oxid, a feleslegben lévő része nemcsak a peroxi-gyökökkel lép reakcióba, hanem az ózont is bontja. Ha nincsen napfény, NO nem tud újrakeletkezni, és a képződéshez a peroxi-gyökök mennyisége nem elegendő. Tiszta levegőben a nitrogén-oxidok mennyisége általában nem elegendő a szmog kialakulásához. De ha az ember túl sokat bocsát ki, akkor kialakulhat az ózon-szmog. Hasonló helyzet lehet ha ég a növényzet, ahol a lángokban nitrogén-oxidok képződnek.
Kiegészítő ismeretek
Troposzférikus folyamatok •
Ha kémiai reakciókról beszélünk, legtöbbünknek nagy ipari létesítmények jutnak az eszébe és laboratóriumokban elzajlódó folyamatok. Azonban a levegő minden literében, amit belélegzünk, ezernyi kémiai reakció zajlódik le minden másodpercben. Az folyamatok legtöbbje oxidáció, vagy a napfény hatására játszódik le.
E fejezet témái 9 a legfontosabb oxidációs anyagok (O3, OH és nitrát-gyökök), és reakciók; 9 a fény szerepe, 9 milyen energiák mennek át a légkörön és ezek az energiafajták hová jutnak el; 9 az üvegházgázok; 9 a troposzféra speciális ózonreakciói; 9 az ember hogyan befolyásolja az alsó légkör vegyi folyamatait;
1. fejezet: A fő oxidánsok és a megfigyelés • oxidáció a légkörben; • éjjeli feltételek és a kémia; A troposzféra számos összetevő keveréke. A legtöbbjük oxidációval alakul át. 9 Melyek a nappali és éjszakai fő oxidánsok? 9 Hogyan tudjuk mérni a légköri összetevőket, és a reakciókban képződő termékeket? 9 Példák a fontos modern mérési technikákra, melyek segítenek a megfigyelésükben;
Mi történik a butánnal (CH3CH2CH2CH3) (ami pl. a kempingfőzőből származik) a levegőben.
Oxidáció a légkörben •
Számos kémiai vegyület jut a légkörbe, és felhalmozódna, ha ismételten nem kerülne onnan ki → kiülepedés: ¾ száraz ülepedéssel, ¾ vagy csapadék révén (nedves ülepedés); Különösen a gáznemű szerves vegyületek kerülnek ki a légkörből könnyen, ha átalakulnak kevésbé illékony, víz-oldható oxidált állapotba…
•
Az oxidáció kémiai értelemben nem szükségszerűen jelent egy oxigént tartalmazó molekulával való reakciót. De a levegő a legtöbb esetben oxigént is tartalmaz. Három fő oxidáns van, ami az ilyen jellegű folyamatokat irányítja a légkörben:
• • •
A hidroxil gyök: OH; a nitrát gyök: NO3; az ózon molekula: O3; Az OH-gyök tisztítja a levegőt
A HO2-gyökök is fontosak, és gyakran az OH-t és a HO2-t együttesen HOx-nek is nevezik. A legfontosabb oxidáns azonban a hidroxil-gyök, az OH. Nagyon aktív és képes oxidálni a troposzférában képződött legtöbb vegyi anyagot. Ezért az OH-t gyakran nevezik a „légkör mosószerének”.
•
Csak néhány összetevő, mint a halogénezett szénhidrogének, CFC-k (pl. a CF2Cl2), dinitrogén-oxid (N2O), vagy a szén-dioxid (CO2) az, amelyek olyan stabilak, hogy nem lépnek reakcióba, vagy csak nagyon lassan az OH-val. A metán (CH4) reakciójának sebessége körülbelül 100-1000-szer lassúbb, mint más szerves vegyületeké. Ez a magyarázata annak, hogy a metán koncentrációja miért lehet olyan magas a légkörben (kb. 1,7 ppm = 1,7 µmol / mol), amíg más szerves nyomgáz koncentrációja alacsonyabb, mint 1 ppb (= 1 nmol / mol)*.
OH képződés: az O-atomok > 97%-a az ózon fotolízisébõl származik, melyek újból ózont képeznek. Az O-atomoknak csak < 3 %-a vesz részt a légkör legfontosabb gyökének az OH-nak a kialakításában. Ha két molekula vagy atom, A és B összeütközik, és létrehoz egy harmadik molekulát C-t, szükséges egy harmadik M partner, hogy elszállítsa a fölösleges energiát. Ez az anyag [általában a nitrogén (N2)] nem lép reakcióba ezekkel.
Hogyan képződik az OH? Az OH irányítja a légköri kémiát a nap folyamán, mert képződése elsősorban a Napból érkező sugárzástól függ. A kezdő reakció (fent) a napfény hatására történő ózonbomlás (fotolízis), ami λ < 310 nm hullámhosszú sugárzás hatására játszódik le, majd ezután a kialakult oxigénatom reakciója a vízzel. Ezért egy bizonyos mennyiségű troposzférikus ózon alapvető a troposzféra kémiájához, bár a túl sok nem egészséges.
OH és a nitrogén-oxid körfolyamat
Az OH más forrásai a salétromos sav, hidrogénperoxid (H2O2) és a peroximetán (CH3OOH) fotolízisei, az NO reakciója a hidroperoxi gyökkel (HO2), vagy az alkének reakciója az ózonnal. A baloldalon lévő vázlat azt mutatja, hogy az OH milyen módon fonódik egybe a nitrogén-oxidok nappali körfolyamatával.
Mennyi OH képződik? •
Mivel az OH rendkívül reagens gyök, kialakulása után azon nyomban reakcióba lép. Élettartama kb. egy másodperc vagy még kevesebb. Ez azt jelenti, hogy a koncentrációja igen alacsony: 1⋅105 < cc(OH) < 2⋅107 molekula⋅cm-3. Tengerszinti nyomáson ez 0,01 - 1 ppt (pmol / mol) keverési arányt jelent. Mivel a képződés függ a vízgőz mennyiségétől, az OH mennyisége csökken a magassággal (hidegebb és szárazabb a levegő). De különösen a szélességgel csökken, mert nemcsak a nedvességtartalom csökken, hanem a sarkok felé a napfénytartam és intenzitás is.
Az OH övezetes eloszlása A 250 hPa szint nagyjából a 11 km-es magasság (közepes szélességeken ez a tropopauza magassága).
Hogyan lép az OH reakcióba? •
A kép egy érdekes hatást mutat trópusi esőerdők fölött. Az OHkoncentráció csökken a talaj közelében. Mi ennek az oka? Az erdők sok szerves vegyületet, mindenekelőtt izoprént bocsátanak ki, és az reakcióba lép az OH-val. Ezért működik erős OHkoncentráció-csökkentő folyamat a talajhoz közel. Az OH-nak nagy affinitása van a szerves vegyületekhez. Az RH elvonja a hidrogént, amikor csak lehet, és vizet (H2O-t) hoz létre. A következő lépésben az R-gyök reakcióba lép az oxigénnel (O2) és szerves peroxidot hoz létre, ami pl. alapvető az ózonképződés körfolyamatában.
OH eloszlása a trópusokon. Felül: globális eloszlás. Alul: a manausi esőerdőben mért profil (Brazília).
Azonban, az OH világszerte elsősorban nem az erdőkből származó szerves vegyületekkel lép reakcióba. A szerves gázok 30 %-kal, a metán (a legfontosabb és a legkisebb szerves molekula) további 15 %-kal járul hozzá az OH eltávolításához. Az OH-val leginkább a szén-monoxid (40 %) lép reakcióba, a fennmaradó 15 %-ban pedig az ózonnal (O3), a hidroperoxil gyökkel (HO2) és a hidrogénnel (H2) lép reakcióba.
A fontos OH-reakciók a troposzférában
•
Az OH igyekszik kétszeres kötést kialakítani a kicsi alkénekkel, a szerves vegyületek speciális osztályával kölcsönhatásban, addig míg a telített maradék nem sokkal nagyobb és a H-elvonás statisztikailag megfelelő. Itt peroxid képződés is előfordul. Az OH képes oxidálni a szén-monoxidot (CO) szén-dioxiddá (CO2). Amint láttuk, a CO és a metán (CH4) a fő OH-nyelők. Más reagens szerves vegyületek csak nyomokban, néhány ppt mennyiségben fordulnak elő, amíg a CO átlagos szintje eléri a 120 ppb-t az északi féltekén (több égési folyamat) és a 60 ppb-t a déli féltekén.
Az OH koncentráció időbeli profilja néhány napon keresztül
» Bár az OH a legfontosabb oxidáns a légkörben, éjszakai koncentrációja közel van a nullához, mert képződéséhez napfény szükséges. Ezért sötétben és éjszaka a nitrátok (NO3) és az ózon (O3) kémiája sokkal fontosabbá válik.
•
* A ppb és ppm keverési arányt jelöl (= 1 molekula 1 milliárd közül, vagy 1 molekula 1 millió közül). Azonban sokkal helyesebb az 1 nmol / mol (= 1 ppb) vagy 1 µmol / mol (= 1 ppm). Ugyanis a molekulák mennyiségének, n-nek a mértékegysége a mol.
2. Fejezet: Sugárzás, üvegházgázok és az üvegházhatás Minden energia a napból származik? Mi történik ezzel az energiával a légkörben, milyen mennyiség éri el a Föld felszínét? Mit sugároz vissza a Föld az űrbe?
Az elmúlt évtizedben a földi átlaghőmérséklet drámaian nőtt. Az üvegházgázok fontos szerepet játszanak ebben.
E fejezet témái 9 a Föld sugárzásháztartása; 9 a beérkező és kimenő energia és az üvegházgázok szerepe ebben; 9 a széndioxidról és a metánról, illetve forrásaik; 9 a vízgőz, mint a legfontosabb üvegházgáz (milyen szerepet fog játszani a melegedő Földön a jövőben?);
A földi sugárzási egyenleg és az üvegházhatás Az éghajlati rendszert a napsugárzásból származó energia irányítja. Ennek az energiának csak egy része éri el a Föld felszínét és okoz melegedést. Másik részét a légkör visszaveri vagy elnyeli. Pontosan hogyan működik a sugárzási rendszer?
a) A sugárzás szempontjából a földi rendszert három részre oszthatjuk: 1) a légkör fölötti űr; 2) a légkör; 3) a földfelszín. Ha egy olyan rendszert feltételezünk, amiben gyors a hőcsere, azt mondhatjuk: a beérkező teljes energia annyi, mint amennyi összesen eltávozik. Máskülönben egy rész folyamatosan energiát kapna, illetve veszítene, és így egyre melegebbé és melegebbé, vagy hidegebbé és hidegebbé válna. Hosszú időt tekintve nem ez az eset áll fenn. Egyensúly van minden részben. Ilyen rendszerben az üvegházgázok NEM termelnek energiát. Segítenek egy olyan egyensúly felállításában, amiben a légköri felszín közeli rétege szokatlanul meleg.
A globális sugárzási egyenleg
•
A valóság egy kicsit összetettebb, mivel az óceánok nagyon lassan reagálnak a hőmérsékletváltozásra. Tehetetlenek. Amíg a légkör gyorsan felmelegszik, az óceánok a hőt lassan veszik fel, és nem melegszenek fel azonnal. Ennek következtében, bizonyos ideig (az óceánok periódusideje körülbelül 1000 év) a Föld nem kerülhet egyensúlyi állapotba, azaz mielőtt az óceánok is egyensúlyba jutnak. Ezért, illetve más ismeretlen dolgok miatt a sugárzási egyenleg, ahogy a fenti ábra mutatja, nem pontos, van benne 10-20 % bizonytalanság. A következő részekben azonban feltételezzük az egyensúlyt.
Az üvegházgázok szerepe •
Az üvegházgázok szerepe hasonló, mint a pulóveré egy hideg téli napon. Ha nem viselnénk ruhát télen, testünk lehűlne, és megfagynánk. Azonban a pulóver sem a környező levegőt nem teszi melegebbé, illetve nem készteti testünket arra, hogy több energiát termeljen, valamint ő sem termel energiát. Egyszerűen visszaveri a testünk energiájának egy részét, és így egy meleg réteget hoz létre a pulóver és a bőrünk között. Pontosan ez az, amit az üvegházgázok is tesznek. A növekvő üvegházhatás azt jelenti, hogy több hő halmozódik fel a földfelszín fölött, mielőtt kisugárzódik az űrbe. Ez nem azt jelenti, hogy több energia éri el a Föld felszínét.
Az üvegházgázok a határréteget melegen tartják, mint a meleg ruhák télen a testünket.
Az energiaháztartás megértése •
Az energiaátvitelt vagy a kibocsátást a rendszerben W⋅m-2-ben mérjük. Először megmutatjuk, hogy a rendszer egyes részeibe ugyanannyi energia érkezik, mint amennyi eltávozik (leegyszerűsítjük, és eltekintünk az óceánok lassító hatásától).
•
342 W⋅m-2 érkezik a napsugárzásból a külső légkörbe. Ebből 107 W⋅m-2 közvetlenül visszaverődik, vagy a felhőkről, vagy a földfelszínről. A napfénynek azt a részét, mely közvetlenül visszaverődik az űrbe, bármilyen kölcsönhatás nélkül, a Föld albedójának nevezzük. Ez nagyjából 30 %.
•
Az albedó definíciója: Egy test által kapott fény azon része, amit a test visszaver. Az albedó értéke 0 (tökéletesen fekete) és 1 (tökéletes visszaverő) között változik.
•
A Föld albedója kb. 0,3. A legjobb visszaverők a felhők és a sarki jégpajzsok. A megmaradó 235 W⋅m-2 vagy a légkörrel, vagy a földfelszínnel lép kölcsönhatásba, és visszajut az űrbe, mint hosszúhullámú sugárzás.
A légkör feletti tér, a légkör és a felszín energiaegyensúlya külön-külön. Mindegyik egyensúlyban van (napsugárzás: sárga; hosszúhullámú infravörös sugárzás: piros. Az energia egy bizonyos része szükséges a víz párolgásához és a hőátvitelhez. A 492 W⋅m-2 esetében ugyanazt az energiát kétszer számítjuk, először mikor a Napból leérkezik, majd miután a Föld kibocsátja, az üvegházgázok újból kisugározzák. Ezért lehetséges a két folyamat elkülönítése.
Ha a légkör sugárzási egyenlegét tárgyaljuk, figyelembe kell vennünk, hogy a légkör az energiát az űrbe, vagy a földfelszín felé is bocsáthatja. Az üvegházgázok visszasugárzó hatása miatt a földfelszín több energiát nyel el (492 W⋅m-2 ), mint ami a Napból beérkezik.
A légköri ablak Csak 40 W⋅m-2 energia sugárzódik ki közvetlenül hosszúhullámú sugárzás formájában a földfelszínről az űrbe.
Egy egyszerűsített kép a Föld sugárzási mérlegéről (a visszaverődést kizártuk) és a légköri ablak.
Ez azért van így, mert az üvegházgázok nem nyelnek el minden hullámhosszon. Van valamennyi rés a víz (ami kb. 60 %-ot nyel el), a szén-dioxid, a metán, a dinitrogén-oxid, az ózon és más üvegházgázok egymást átfedő abszorpciós spektrumában. A legfontosabb ablakokat a víz és a szén-dioxid abszorpciós spektrumában légköri ablaknak nevezzük. Itt az infravörös sugárzás eltávozhat, mint az üvegház tetején lévő ablakon. Természetesen az üvegházgázok és az üvegház üvegje közötti analógia nem tökéletes. A gázok kölcsönhatásban vannak a fénnyel, amíg az üveg egy szilárd anyagból készült akadály és meggátolja a konvekciót is, így a hőt visszatartja. Üvegházat bemutató modell
Az elektromágneses hullámok és a légkör közötti kölcsönhatás (mennyi és milyen hullámhosszúságú sugárzás jut át a légkörön?) ahhoz a tényhez vezet, hogy a légkör bizonyos részei átlátszatlanok. A fenti képen ezek barnával vannak jelölve. Különösen érdekesek a közeli UVsugárzás (1), a látható fény (2) és a közeli infravörös (3). Az ózon elnyel az (1) tartományban, és a légkört átláthatatlanná teszi a veszélyes UV-B sugarak számára. Emellett a (2) a látható fény eljuthat a földfelszínre, megvilágítja a nappalainkat és melegíti a Föld felszínét. A (3) tartományban a Föld visszasugárzásából származó infravörös sugárzás (lásd: a következő ábra) visszajuthat az űrbe, de csak bizonyos részeken, amelyek nincsenek blokkolva. Elsősorban a víz és a szén-dioxid miatt az infravörös tartomány a földfelszínről származó infravörös sugárzás számára átláthatatlan (üvegházhatás). Ha más gázok (O3, CH4, N2O) abszorbeálnak a fennmaradó „légköri ablakban” (lásd: a következő ábrán a spektrumot), együtt nagyon hatékony üvegházgázok.
A Föld elméleti spektrumának valójában csak egy része (az ún. fekete test sugárzás pirossal jelölve) sugárzódik ki az űrbe. Ez a rész, amit kékkel jelöltünk, a légköri ablak. A többiben alapvetõen a víz és a szén-dioxid nyel el.
Vízgőz és a felhők •
A vízgőz, a közismerten legfontosabb üvegházgáz, az üvegházhatás kb. 60 %-áért felelős. A vízgőz-koncentrációról mindeddig azt feltételeztük, hogy többé-kevésbé állandó, ezért nem járul hozzá az üvegházhatás fokozódásához. Ez a Föld jövőbeli melegedése következtében meg fog változni…
•
Az éghajlat jövőjének becslésében a legjelentõsebb bizonytalanság valószínűleg a vízgőz visszacsatolásból, valamint a felhők és ezek sugárzással való kölcsönhatásából fakad.
Telítettség •
A levegő vízmegtartó képessége növekszik a hőmérséklettel, azaz a melegebb levegő több vizet tud felvenni. A telítési görbe azt mutatja meg, hogy a levegő mennyi vizet tarthat meg adott hőmérsékleten, mielőtt a kondenzáció elkezdődik (pl. a relatív nedvesség 100 %). A légkörben azonban a levegő telítetlen. A relatív nedvességet (angolul RH) a következő egyenlet adja meg:
értéke széles határok között változhat; • • •
p = adott parciális vízgőznyomás; psat = telítési vízgőznyomás; A psat értéke függ a hőmérséklettől;
A vízgőz telítési görbéje megmondja, hogy a levegő maximálisan mennyi vizet tud megtartani (100 % relatív nedvesség) adott hőmérsékleten
•
Általában megjósolható, hogy a növekvő léghőmérséklet növekvő párolgáshoz vezet, és ennek következtében megnövekszik a levegőben lévő vízgőz mennyisége. Míg a párolgási folyamatokban az ideális termodinamikai feltételek közelítően fennállnak a troposzféra határrétegében (1-2 km-ig), addig a szabad légkör modellezése sokkal bonyolultabb, és ott a fő üvegházgáz, azaz a vízgőz mennyisége növekszik.
Felhőképződés •
A növekvő nedvesség következménye a növekvő felhőborítottság. A felhők kétféle kölcsönhatásban vannak a sugárzással. Egyrészt, mint üvegházgáz, elnyelik a hosszúhullámú sugárzást, és visszasugározzák a Föld felé. Másrészt növelik a Föld albedóját, és az űr felé visszaszórják a napfényt, mielőtt az elérné a Földet. Ennek mértéke erősen függ a felhők típusától, amelynek hatása meghatározó. A magas felhők hozzájárulnak a további melegedéshez, amíg az alacsony felhők több napfényt vernek vissza, ami hűléshez vezet.
A felhők részben visszasugározzák a Napból érkező rövidhullámú sugárzást (sárga), de a Földrõl érkező hosszúhullámú sugárzást is elnyelik (piros), és részben visszasugározzák a Föld felé, hasonlóan az üvegházgázokhoz..
Kétszeres visszacsatolás •
A Föld melegedése következtében növekvő vízgőz és felhőképződés akár hűléshez is vezethet, ahogyan a következő vázlaton láthatjuk. Azonban ez idáig nem tisztázott, hogy a fokozott felhőképződés összességében negatív vagy pozitív visszacsatolást eredményez-e a felmelegedés folyamatában. A különböző modellek különböző következtetéseket adnak.
Visszacsatolások a víz-körforgásban: Mivel a globális felmelegedés növekvő vízgőz koncentrációt eredményez, a több vízgőz pedig további melegedéshez vezet, megállapíthatnánk, hogy a vízgőz növekedése pozitív visszacsatolást (az eredeti folyamatot erősítő hatást) vált ki. A helyzet azonban nem ennyire egyszerű, mivel a növekvő felhõképzõdés ellensúlyozhatja ezt a hatást. Ahogy azt a „Felhőképződés” című bekezdésben tanultuk, bizonyos magas szintű felhõknek lehet melegítő hatása, (pöttyözött nyilak), más alacsony szintű felhők azonban több napfényt vernek vissza, ezáltal jelenlétük hűlést eredményezhet.
Bizonytalanságok •
•
A felhőképződés és a vízgőz-koncentrációban lévő nagy különbségek regionális skálán jelentkeznek, tehát az éghajlati modellek rácsmérete alá esnek. Éghajlati modelljeink túl durva felbontásúak ahhoz, hogy figyelembe vegyenek minden nagy tó fölött megjelenő felhőt, vagy a lejtőszelet egy meleg nyári napon. Számos bizonytalanság származik az alábbiaktól való a függéstől:
- nagyskálájú dinamika; - rács-skála alatti dinamika; - mikrofizika; - a cseppek méretének függése a napsugárzás felhőkkel való kölcsönhatásától; - különbség a felhőjégben és a felhővízben; • A légkör egy dinamikus rendszer, távol áll egy egyszerű egyensúlytól. A nedvességszállítást a szélesség függvényében különböző folyamatok kormányozzák: • a trópusokon a konvekció (függőleges szállítás), ahol a magas cumulonimbus tornyok képződnek; • nagyskálájú emelkedő és süllyedő mozgások a magas szélességeken, ahol a réteges felhők dominálnak; • főleg az advekció (vízszintes szállítás) a száraz területeken a trópusok és a közepes szélességek között;
A vízgőz, mint a levegõdinamika része
A globális relatív nedvesség eloszlása [%] a szabad légkörben, 600 és 250 hPa (kb. 5-11 km magasság) szintek között. Óvatosan bánjunk a térképpel! A szabad légkör a Déli Sark fölött relatíve telítettebb, mint a trópusokon, de abszolút értékekben kevesebb vizet tartalmaz köbméterenként.
A vízgőz és a felhő-visszacsatolások megbecslése •
A jelenlegi becslések szerint, amikor majd bekövetkezik a légköri CO2 mennyiség megkétszereződése (azaz a keverési arány az iparosodás előtti 280 ppm helyett 560 ppm-re emelkedik majd (2001-ben 370 ppm volt), addigra a hőmérséklet 1,5 - 4,5 °C közötti értékkel lesz magasabb. Hogy ez a tartomány ennyire széles az főleg a felhőképződési hatások bizonytalanságának köszönhető.
•
A CO2 szint megkétszereződése, bármi más változás nélkül is további 3,5-4 W⋅m-2 sugárzási kényszerhez vezetne (azaz a hőmérséklet 1,2 °C-kal növekedne). Figyelembe véve a gáz állapotú vízgőz visszacsatolására vonatkozó becsléseket, ez az érték durván a duplája (7-8 W⋅m-2). Ezen a ponton hozzá kell adni a felhők hatását, ami vagy egy gyenge hűléshez vezet (ez a valószínűbb), vagy további melegedéshez. A bizonytalanság mértéke -3 és +3 W⋅m-2 közötti. Ez körülbelül 4-11 W⋅m-2 sugárzási kényszerhez vezetne, ha a CO2 mennyisége megduplázódik, vagy a hőmérséklet 1,5 és 4,5 °C között emelkedik.
•
Néhány hivatkozás szerint a troposzférában lévő víz, ideértve a felhők hosszúhullámú abszorpcióját is, felelős a természetes üvegházhatás 80 %-áért.
Ha ezt összehasonlítjuk az 1,2°C-kal (ami a CO2 megduplázásából származik, más visszacsatolás nélkül), láthatjuk, hogy milyen fontos a vízgőz éghajlatunkra gyakorolt hatásának modellezéssel való jobb megismerése.
A sugárzási kényszer megbecslése kétszeres CO2 mellett vízgőzzel és anélkül, valamint felhő-visszacsatolással
3. Fejezet: Az ózonról és a tűzről •
Az ózon meglehetősen agresszív gáz. Hogyan támad meg más molekulákat, mi a hatása az emberi egészségre és szerves anyagokra? Megadunk néhány példát, amivel megmagyarázzuk az ózon vegyi reakcióit.
•
Ennek a gáznak a koncentrációját nehéz előrejelezni, mert erősen függ adott időben a helyi körülményektől és a levegő vegyi összetételétől. Ebben a fejezetben bemutatjuk, hogy hol és miért található a légkörben több, vagy kevesebb ózon. A nitrogén-oxidoknak, az ózonnak és a szén-dioxidnak is az egyik forrása a tűz. Az utolsó részben kitekintést adunk a világban lezajlott tüzekről és arról, hogy mi megy végbe a tüzekben a kémia szempontjából.
A magas ózonkoncentráció hatással van a léghólyagokra a tüdőnkben. Mi az oka ennek?
Miért veszélyes az ózon? •
A felső légkör című fejezetben bemutatjuk, hogy az ózon szerepe alapvető a sztratoszférában, hogy megvédjen bennünket az UV sugárzás káros hatásától. A földfelszín közeli szinteken azonban nem akarjuk, hogy ott legyen. De milyen kárt tesz az ózon?
Egy kicsire szükség van belőle •
Az nem igaz, hogy egyáltalán nem akarunk ózont a környezetünkbe. Egy kicsi szükséges belőle azért, hogy OH-gyök képződjön (lásd: 1. fejezet: Oxidáció és OH-gyök). OH-gyök nélkül a légkör nem tisztítja magát. Azonban, ha az ózon mennyisége növekszik, ez a gáz káros az egészségünkre és károsítja a növényeket. Még az úszómedencékben is használják néha a baktériumok elpusztítására. Mi teszi az ózont olyan agresszívvé?
Az OH-képződés csak akkor mehet végbe, ha van egy kis mennyiségű ózon a levegőben.
Az ózon megtámadja légzőszervünket •
Első év szerves kémia tanulás után tudjuk: szén (C) és hidrogén (H) mindenhol jelen van az élő szervezetekben, növényekben, állatokban és a mi testünkben is. A C-n és H-n kívül lehet még nitrogén (N), kén (S) és foszfor (P) a szerves vegyületekben, de pl. szénhidrogének alkotják a gerincet. Ez a váz C-C egyes kötéseket (melyek igen erősek), és C=C kettős kötéseket is tartalmaz, mely utóbbiak bizonyos módon könnyebben támadhatóak. Az ózon különösen a kettős kötéseket szereti. Mindenhol találhatunk ilyeneket: telítetlen zsírsavakban, hemoglobinban, proteinekben és más bio-molekulákban, a tüdőben a léghólyagok membránján.
•
A másik két fő oxidánsnak, az OH-nak és a NO3-nak rendkívül rövid az élettartama és kialakulásuk után azonnal kölcsönhatásba lépnek. Az ózon azonban megtalálja az útját a tüdőhöz. Minden nap 20.000 liter levegő jut át a léghólyagokon, melyek teljes felülete 80-100 m2. Az ózon képes áthatolni és reakcióba lépni.
Nem minden zsírsavnak van kettős kötése. Némely közülük telített (a). Azonban számos közülük telítetlen, azaz C=C kettős kötésük van (b).
Az ózon felbontja a kettős kötéseket •
Az ózon hasonló módon lép reakcióba pl. a zsírsavakkal a tüdőben, mint a levegőben. Hozzákapcsolódik a kettős kötésekhez, felbontja azokat, és agresszív gyököket képez, melyek további oxidációhoz vezetnek. Következménye a tüdőgyulladás, ami különösen veszélyes az asztmásak, de az egészségesek számára is. Ennek során a tüdőkapacitás csökkenését és gyenge légzést tapasztalhatunk. Soha ne sportoljunk és ne végezzünk kemény munkát, ha az ózonszint magas!
•
Az ózon a tüdőnkben nemcsak a kettős kötéseket bontja fel, hanem megtámadja a terpének kettős kötését is, amik az erdő illatot adó bio-molekulái, és sok más, a levegőben lévő molekulát. Ha a leveleket magas ózonkoncentrációnak tesszük ki, azok is károsodnak. Nagyon magas koncentráció esetén a gumi léggömbben is felbonthatjuk a kettős kötést, és az ki is lyukad.
A tüdőnkben az ózon megtámadja a léghólyagokat.
Az ózon reakciója a kettős kötésű molekulával (ozonolysis) a kettős kötés felbomlásához vezet.
A guminak is kettős kötése van. Ha ózonban gazdag levegőnek tesszük ki …
... vékonyabbá és vékonyabbá válik, s végül a léggömb kilyukad.
4. Fejezet: Gázok a légkörben •
Ezernyi gáz található a troposzférában, a légkör talajhoz legközelebbi légrétegben. Áttekintettük a legfontosabbakat.
•
Néhány közülük egyformán szétterjed a Földön, néhány terjedése nagyban függ a helyi forrásoktól és feltételektől, valamint a napszaktól is. Ebben a fejezetben egy rövid kitekintést adunk arról, hogy a levegőben lévő gázokat hogyan lehet jellemezni.
Eloszlás és koncentráció •
Sokat tanultunk a légkörben lévő gázokról, különösen troposzférában, a légkör legalacsonyabb rétegében lévőkről. Itt számtalan kémiai vegyületet találunk. De a koncentrációjuk és az eloszlásuk erősen változik.
Hogyan írjunk le egy gázt a légkörben? Mennyiség •
Egy légkörben lévő gáz lehet:
•
a) a levegő fő összetevője (oxigén, nitrogén, argon) b) fő nyomgázok (szén-dioxid, metán, ózon, nitrogén-dioxid, ...) c) kisebb nyomgázok (számos szerves gáz, pl. a bután, etanol, de a CFC-k is, ...)
•
Nyomgázok azok a gázok, melyek kis részét képezik a levegőnek, ez lehet kevesebb, mint 1 molekula 1 milliárd vagy egy trilliárd molekulából.
A félreértett keverési arány egységei: ppm és ppb •
Számos tudományos cikkben, a levegőben lévő összetevőnek az arányát ppm (millió egy része) vagy a ppb (része a milliárdnak) mennyiségben adják meg. Mi is ezt a rövidítést használjuk, mert ez az elterjedt, és mindenütt ezt találjuk. De ez félrevezető. Három tipikus hiba:
•
1) Gyakran ezt írják: A levegőben lévő CO2 koncentráció 370 ppm. Ez helytelen. A 370 ppm egy keverési arány és nem koncentráció. Koncentráció pl. a tömeg per térfogat, mint pl. az ózon-koncentráció 100 µg⋅m-3. Ennek valódi mértékegysége van.
•
2) A keverési aránynak nincsen mértékegysége. Mivel dimenzió nélküli szám, eltüntettük a mértékegységet. Csak azt írja le, hogy 1.000.000 molekulából 370 molekulánk van, ha 370 ppm-ünk van. Helyesebben így írhatjuk: 370 µmol / mol.
•
3) Az egyes országokban a milliárd és a trilliárd különbözőképpen lehet definiálva: 1 amerikai billió = 1 brit milliárd (ritkán használt) = 1.000.000.000 (Magyarországon is ez a milliárd jelentése) 1 amerikai trilliárd = 1 brit billió (ritkán használt) = 1.000.000.000.000;
• Más nyelvekben e kifejezések (francia: milliard, német: milliarde) kapcsolatban vannak a brit milliárd-dal, ami sokkal megszokottabb, mint az amerikai billió, azaz a 109. Ezért ne keverjük őket össze! gyakran használt:
helyesebb:
ez azt jelenti:
ppm (milliomod rész)
µmol / mol = 10-6 (micromol / mol)
1 az 1,000,000-ból
nmol / mol = 10-9 (nanomol / mol)
1 az 1,000,000,000-ból
pmol / mol = 10-12 (pikomol / mol)
1 a 1,000,000,000,000-ból
ppb (milliárdod rész) ppt (trilliárdod rész)
American
American
Eloszlás A helyi és időbeli feltételektől függően a légkörben lévő gáz lehet
a) homogén módon eloszolva (pl. nitrogén, oxigén, szén-dioxid)
b) inhomogén módon eloszolva (pl. vízgőz, ózon, nyomgázok)
A „homogén módon” jelentése: a gáz keverési aránya a Földön mindenütt, a változó magassággal is, összehasonlítható mértékű. Ez a stabil, hosszú élettartamú gázok esete. Csak lassan kerülnek ki a légkörből, s nem lépnek kölcsönhatásba, vagy csak igen kis mennyiségben. Példa: dinitrogén-oxid N2O
A dinitrogén-oxid eloszlása a légkörben. A Csendes-óceán fölött különböző magasságokban és szélességeken végzett mérések eredményei. A hibát is láthatjuk.
A dinitrogén-oxid (N2O) egy homogén eloszlású gáz. Azonban koncentrációja – elsősorban az emberi tevékenységnek köszönhetően – az elmúlt 200 évben folyamatosan növekszik. Időbeli változás A gázok mennyisége erősen függ a Naptól, ha olyan kémiai folyamatban vesznek részt, ahol a fotolízis játssza a fő szerepet. Ebben az esetben napi és gyakran évszakos menetük is van.
Napi változás: pl. az OH-gyöké Az OH-gyök mennyisége pl. függ a napfénytől, napközben mennyisége emelkedik, éjszaka csökken (lásd: Oxidáció c. fejezet).
Az OH-koncentráció időbeli változása
Évszakos változás: példa: formaldehid A formaldehid (HCHO) gáz halmazállapotú anyag, ami pl. az erdőtüzekben képződik. Az alábbi ábrán láthatjuk, hogy koncentrációja magas a tűzesetes időszak alatt (DK-Ázsia: március, Brazília: szeptember).
Formaldehid – teljes mennyiség a légoszlopban. Műholdas megfigyelés, GOME műszer.
Néhány gáz mennyisége hosszú időt (évtizedeket, évszázadokat, évezredeket, vagy évmilliókat) tekintve növekszik, vagy csökken. Az emberi tevékenység számos gáz átlagos értékének növekedését okozta az elmúlt 200 évben az iparosodás kezdetétől, ahogyan a N2O mutatja.
Trend a CO2-koncentrációban, Mauna Loa Observatory, Hawaii
A szén-dioxid egy kiváló példa arra, hogy egy gáz globális eloszlását tanulmányozzuk. Lévén stabil gáz, így az egész Földön elterjedt. De tudjuk: az emberi tevékenységnek köszönhetően a CO2 mennyisége folyamatosan nő. A legtöbb CO2 az északi féltekén képződik, mert itt van a legtöbb szárazföld és sokkal több ember él itt, illetve több energiát fogyaszt el (gondoljunk Európára, USA-ra, Kínára és Indiára).
A CO2 globális eloszlása, éves és éven belüli változékonysága
•
Ezért a szén-dioxid először az északi féltekén növekszik, majd ezután lassan ezt figyelhetjük meg a déli féltekén is. Az egyenlítőn való átvitelhez idő kell, mivel egy félgömbön a keveredés gyorsabb, mint a féltekék között. De mi megfigyelünk valamit: A CO2 éves menete változik. Télen a fák és más növények növekedése megáll, így kevesebb CO2-t vesznek fel. Ugyanakkor az emberek elkezdik fűteni házaikat, és több CO2-t bocsátanak ki. Következésképpen a fűtési periódus végére (május) a legmagasabb a koncentráció, és körülbelül 5 ppm-mel alacsonyabb a CO2 koncentrációja a tenyészidőszak végére, októberre. A két grafikon tisztán mutatja mindkét formát.
Mára befejeztük, viszontlátásra!
