Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

A troposzféra és a sztratoszféra kémiája előadás Környezettudomány MSc hallgatóknak Kémiai folyamatok a légkörben előadás Meteorológia MSc hallgatóknak.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "A troposzféra és a sztratoszféra kémiája előadás Környezettudomány MSc hallgatóknak Kémiai folyamatok a légkörben előadás Meteorológia MSc hallgatóknak."— Előadás másolata:

1 A troposzféra és a sztratoszféra kémiája előadás Környezettudomány MSc hallgatóknak Kémiai folyamatok a légkörben előadás Meteorológia MSc hallgatóknak Turányi Tamás ELTE Kémiai Intézet TT4 előadás: nitrogénvegyületek légköri körforgalma

2 Biogeokémiai körforgalom: anyagforgalom a bioszférán és a geoszférán (légkör, földkéreg, óceánok) keresztül kvázistacionaritás → körforgalom Levegőkémia: a biogeokémiai körforgalom légköri része források – átalakulások – kikerülés (az ózon körforgalma a légkörön belül zárul!) Tárgyalásra kerülő anyagok: szénvegyületek (volt már) nitrogénvegyületek kénvegyületek

3 Nitrogén a légkörben: legnagyobb mennyiségben: molekuláris nitrogén (N 2 ) – 78,1% – 2∙10 21 g (kémiailag stabil, lassú reakciók,  ≈ 10 6 év) fontosabb oxidált vegyületek: dinitrogén-oxid (N 2 O), nitrogén-monoxid (NO), nitrogén-dioxid (NO 2 ), salétromsav (HNO 3 ), szerves/szervetlen nitrátok (pl. PAN, NH 4 NO 3 [szilárd]) kisebb mennyiségben: salétromossav (HONO, HNO 2 ) nitrogén-trioxid (NO 3 ), dinitrogén-pentoxid (N 2 O 5 ), stb. fontosabb redukált vegyületek: ammónia (NH 3 )

4 A nitrogén fontos tápanyag minden élő szervezet számára (pl. fehérjék). Forrása a légkör. N 2 csak néhány mikroorganizmus számára felvehető (pl. Azotobacter croococcum, Clostridium pasteurianum, Rhizobium-baktériumok, kék- és zöldalgák, stb.) - közvetlen felvétel a növények által a szimbionta baktériumok révén (pl. pillangósvirágúak + Rhizobium-baktériumok) - közvetett felvétel az N 2 -megkötő baktériumok által termelt ammónia, ammónia-són keresztül - légköri oxidáció (villámlás, biomassza égés → NO → NO 3 - ) ammonifikáció: szerves N-vegyületekből ammónia, ammónia-só oxigénes környezetben: nitrifikáció (NH 3 → NO 2 - → NO pl. Nitrobacteriaceae-család)

5 NO x körforgalom a talajban

6 A mikrobiológiai folyamatok által termelt ammónia-sók (NH 4 + ), nitrátok (NO 3 - ), illetve közvetlen N 2 felvétel Növényi fehérjék, szerves nitrogén-vegyületek NÖVÉNYEK Nitrogén visszatérése a légkörbe: denitrifikáció (talajbaktériumok pl. Pseudomonas, Micrococcus, stb.) NO 3 - → NO 2 - → NO → N 2 O → N 2

7 A denitrifikáció biztosítja a légkör állandó nitrogéntartalmát A légkör és a felszín közötti évi N 2 forgalom 240 Tg N/év (240 Mt N/év, 240∙10 12 g N/év) Emberi beavatkozás az N 2 forgalomba: - pillangósvirágúak (pl. lucerna, bab, egyéb hüvelyesek stb.) széles körű termesztése → N 2 megkötés fokozása - közvetlen ammónia, nitrát bevitel a talajba műtrágyázással (forrása: légkör) → denitrifikáció intenzitásának növelése

8 Dinitrogén-oxid (N 2 O): Színtelen, édeskés szagú gáz. „Kéjgáz” (altatás). Kémiailag stabil, lassú reakciók,  ≈ 120 év A 2. legnagyobb mennyiségben a légkörben lévő nitrogén- vegyület (~322 ppb) Döntő része természetes vagy antropogén hátterű biológiai forrásokból (denitrifikáció)

9 Dinitrogén-oxid (N 2 O) Források (Tg N/év): Természetes források nedves trópusi talajok2,7-5,7 mérsékeltövi talajok0,6-4,0 óceánok1,0-5,7 légkör (NH 3 oxidáció)0,3-1,2 Természetes források összesen9 ± 3 Antropogén források mezőgazd. talajok, műtrágy. 0,6-14,8 ipari források0,7-1,8 állattenyésztés 0,2-3,1 biomassza égetés0,2-1,0 Antropogén források összesen (IPCC, 2001) 7 ± 2 Források összesen (IPCC, 2001) 16,4 Tg N/év

10 N 2 O a troposzférában csaknem inert (  ≈ 120 év) → → feljut a sztratoszférába N 2 O + hν→ N 2 + O*λ < 240 nm90% N 2 O + O * → N 2 + O 2 5% N 2 O + O * → 2 NO 5% Teljes kémiai nyelő: ~12,6 Tg N/év

11 Nyelők: sztratoszféra12,6 Összesen (IPCC, 2001)12,6 Források16,4 Nyelők- 12,6 Különbség3,8 Dinitrogén-oxid (N 2 O) Források: Természetes források nedves trópusi talajok2,7-5,7 mérsékeltövi talajok0,6-4,0 óceánok1,0-5,7 légkör (NH 3 oxidáció)0,3-1,2 Antropogén források mezőgazd. talajok 0,6-14,8 ipari források0,7-1,8 állattenyésztés 0,2-3,1 biomassza égetés0,2-1,0 Összesen (IPCC, 2001)16,4 A források és nyelők hozama Tg(N)/év mértékegységben

12 Elmúlt 300 év: kb. 270 ppb → 322 ppb (~19% növekedés) N 2 O üvegházhatású gáz – fajlagosan kb. 300-szor hatékonyabb, mint a CO 2 Kiotói Jegyzőkönyv vonatkozik rá

13 IPCC, (2005) N2ON2O

14 A sztratoszférában: N 2 O → NO → NO 2 → HNO 3 → troposzféra/kiülepedés N2ON2ONONO 2 NON2ON2ON2N2 NH 3 N2N2 O3O3 hνhν hνhν HNO 3 OH villámlás égetés HO 2, RO 2, O 3 hνhν OH denitrifikáció ipari tevékenység biomassza ég. tropopauza OH hνhν HNO 3 ülepedés A denitrifikáció során nitrogén-monoxid is képződik NO képződik villámlások, a biomassza és a fossz. tüzelőanyagok égésekor NO képződik a légkörben lévő ammónia (NH 3 ) oxidációjával NO oxidációja NO 2 -vé az ózon és a peroxi gyökök hatására közvetlen felvétel hνhν

15 A troposzférikus NO egy kis része a sztratoszférából származik N2ON2ONONO 2 HNO 3 PAN NO 2 NOHNO 3 N2ON2ON2N2 NH 3 N2N2 O3O3 hνhν hνhν OH repülôgépek villámlás égetés HO 2, RO 2, O 3 hνhν OH denitrifikáció ipari tevékenység biomassza ég. tropopauza OH hνhν ülepedés Repülőgépek: közvetlen sztratoszférikus NO bevitel NO 2 ↔ PAN átalakulás NO x kibocsátás dominánsan NO formájában történik

16 NO x fontos szerepet játszik az ózonképződésben, áttételesen a csapadékképződésben is (→ HNO 3 → kondenzációs magok) Iparilag fejlett országokban: közlekedés40-50% energia termelés30-40% ipari folyamatok ~20%

17 Természetes források: villámlás 5 Mt N/év kémiai forrás 1 Mt N/év(NH 3 oxidáció) sztratoszféra <0,5 Mt N/év(N 2 O bomlás) Részben természetes: denitrifikáció 6 Mt N/év biomassza égés 8 Mt N/év Antropogén források: fosszilis tüzelőanyagok 33 Mt N/év (repülőgépek0,7 Mt N/év) Összesen~52 Mt N/év ebből antropogén:>70%

18 ha növekszik a NO x kibocsátás... növekvő O 3 képződés → növénypusztulás növekvő HNO 3 képződés → környezet-savasodás növekvő nitrát-képződés → eutrofizáció 1988, Szófia: Európai egyezmény a nitrogén-oxid kibocsátás korlátozásáról (1987. évi szint befagyasztása) 1999, Göteborg: Európai egyezmény a savasodás, eutrofizáció és a felszínközeli ózon-koncentráció csökkentéséről (differenciált NO x kibocsátás csökkentés)

19 Autó környezetvédelmi szabványok ( ) ázsiai országok vs. EU

20 Várható NOx kibocsátás ázsiai országokban IPCC B2 forgatókönyv: folyamatosan növekvő világnépesség, helyenként eltérő, jelentős társadalmi és környezetvédelmi különbségek

21 Várható NOx kibocsátás a világon ( )

22 NO 2 kibocsátás a légkörbe UK Recent road transport data for the UK

23 NOx kibocsátás csökkenésének okai Erőművek: - új, alacsony NOx kibocsátású égőfejek bevezetése - kazánok áttervezése (új elvek alapján) - füstgáz kezelése (NH 3 hozzáadagolása, NOx+NH 3  N 2 ) Akit részletesebben érdekel: A lángok kémiája és fizikája speci a tavaszi félévben Gépjárművek: háromutas (NOx, CO, HC) autókatalizátorok elterjedése - nem szabályozott - szabályozott ( -szonda)

24 NOx kibocsátás egy erőműből a teljesítmény függvényében NOx csökkentési beavatkozás előtt (piros) és után (kék) FGR: flue gas recirculation (füstgáz visszavezetése)

25 NO 2 koncentráció határértékek: EU szabályozás 1 órás átlagkoncentráció: 200 mg m -3 (105 ppb); (nem léphető túl >18 alkalommal évente) éves átlag 40 mg m -3 (21 ppb)

26 UK éves átlag NO 2 koncentrációk UK 2001 UK 2010 EU szabályozás: max. 40  g m -3

27 Éves átlag NO 2 koncentráció London útszakasz 1407 útszakaszon több az NO 2, mint 40  g m -3 London útszakasz 670 útszakaszon több az NO 2, mint 40  g m -3

28 NO 2 Budapesten 2005

29 NO, NO 2 erősen reaktív (szabad gyök) → τ ≈ 1-2 nap koncentráció: forrásterületeken magas antropogén források koncentráltak (városok, autópályák, erőművek, stb.) természetes források egyenletesebb eloszlásúak (villámlás, denitrifikáció, biomassza égés, stb.) Koncentráció: városokban ppb vidéken 0,1-10 ppb óceánok felett 0,02-0,04 ppb (=20-40 ppt) NO, NO 2 száraz ülepedés – lassú kikerülés a légkörből: kémiai reakció (oxidáció)

30 NOx emisszió UK

31 Troposzférai NO 2 adatok GOME műhold mérései (1996. július) Martin et al. [2002]

32 N2ON2ONONO 2 PAN NO 2 NON2ON2ON2N2 NH 3 N2N2 O3O3 hνhν hνhν HNO 3 OH repülôgépek villámlás égetés HO 2, RO 2, O 3 hνhν HNO 3 OH denitrifikáció ipari tevékenység biomassza ég. tropopauza OH hνhν NH 4 + NO 3 - H2OH2O H2OH2O ülepedés NH 4 NO 3 ülepedés NO 2 + OH + M → HNO 3 + M HNO 3 : reaktív, vízben jól oldódik, száraz/nedves ülepedés gyors NH 3 jelenlétében NH 4 NO 3 -t képez (kondenzálódik → szilárd részecske, vízben oldódik, kondenzációs mag)

33 A reaktív oxidált nitrogén-vegyületek viszonylag gyorsan alakulnak át egymásba NO ↔ NO 2 PAN ↔ NO 2 HNO 3 ↔ NO 2 A reaktív oxidált nitrogén-vegyületek összege: NO y NO y = NO x + HNO 3 + PAN + egyéb nitrátok + + HONO + NO 3 + N 2 O 5 ppt N 2 O nem tartozik az NO y -ba – nem reaktív

34 Forrásnál: NO (NO 2 ) Városokban: NO x ≈ 60-80% Távolodva: HNO 3, PAN részaránya nő Óceánok felett: NO x ≈ 15% (visszabomlás PAN-ból) domináns: PAN Felfelé: PAN/HNO 3 arány nő (T ↓, PAN bomlási sebesség ↓)

35 keletkezése: acetaldehid  acetilperoxi-gyök  PAN: pl. CH 3 CHO + OH (+O 2 )  CH 3 COO 2 + H 2 O CH 3 COO 2 + NO 2 CH 3 COO 2 NO 2 (PAN) PAN – peroxiacetil-nitrát a PAN tároló (reservoir) vegyület NOx hosszútávú transzportja (főleg a felső troposzférában) akár interkontinentális transzport NOx transzport szennyezett helyekről eredetileg szennyezetlen helyekre

36 Egyetlen számottevő mennyiségű redukált nitrogén-vegyület a légkörben: ammónia (NH 3 ) (3. legnagyobb mennyiség: 1. N 2, 2. N 2 O, 3. NH 3 ) Nitrogén tartalmú szerves anyagok (anaerob) bomlása, ammonifikáció Természetes források: humusz ammonifikáció óceánok N-tartalmú szerves anyagainak anaerob bomlása állatok vizeletének bomlása Összesen Mt N/év Antropogén források: mezőgazdaság35 Mt N/év ipari tevékenység 2,5 Mt N/év biomassza égetés5,5 Mt N/év emberi ürülék2,5 Mt Név Összesen45 Mt N/év Az antropogén kibocsátás háromszorosa a természetesnek!

37 N2ON2ONONO 2 HNO 3 PAN NO 2 NOHNO 3 N2ON2ON2N2 NH 3 N2N2 O3O3 hνhν hνhν OH repülôgépek villámlás égetés HO 2, RO 2, O 3 hνhν OH denitrifikáció ipari tevékenység biomassza ég. tropopauza állatteny. bioszféra OH NH 4 + NO 3 - H2OH2O H2OH2O NH 4 NO 3 hνhν ülepedés NH 3 + HNO 3 →∙∙∙∙→ NH 4 NO 3 (ammónium-nitrát) NH 3 + H 2 SO 4 →∙∙∙∙→ (NH 4 ) 2 SO 4 (ammónium-szulfát) többlépéses heterogén folyamat → aeroszol részecske szilárd NH 4 NO 3, (NH 4 ) 2 SO 4 – vízben jól oldódik, száraz/nedves ülepedés

38 N2ON2ONONO 2 HNO 3 PAN NO 2 NOHNO 3 N2ON2ON2N2 NH 3 NH 4 + NO 3 - N2N2 O3O3 hνhν hνhν OH repülôgépek villámlás égetés HO 2, RO 2, O 3 hνhν OH denitrifikáció ipari tevékenység biomassza ég. H2OH2O H2OH2O tropopauza állatteny. bioszféra ülepedés OH ülepedés NH 4 NO 3 ülepedés hνhν NH 3 vízben jól oldódik → nedves ülepedése gyors talaj mikroorganizmusok közvetlen ammónia-felvétele → száraz ülepedés ammónia-só részecskék – száraz/nedves ülepedés komoly tápanyag-forrás növekvő NH 3 kibocsátás → eutrofizáció

39 N2ON2ONONO 2 HNO 3 PAN NO 2 NOHNO 3 N2ON2ON2N2 NH 3 NH 4 + NO 3 - N2N2 O3O3 hνhν hνhν OH repülôgépek villámlás égetés HO 2, RO 2, O 3 hνhν OH denitrifikáció ipari tevékenység biomassza ég. H2OH2O H2OH2O tropopauza állatteny. bioszféra ülepedés OH ülepedés NH 4 NO 3 ülepedés hνhν talajok, felszíni vizek hőmérsékletüktől, pH-juktól függően források és nyelők is lehetnek ammónia erősen reaktív gáz → τ = 1-2 nap → nagy tér- és időbeli változékonyság kontinentális háttér [NH 3 ] ~ 0,1-10 ppb

40 Köszönöm a figyelmet!


Letölteni ppt "A troposzféra és a sztratoszféra kémiája előadás Környezettudomány MSc hallgatóknak Kémiai folyamatok a légkörben előadás Meteorológia MSc hallgatóknak."

Hasonló előadás


Google Hirdetések