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 TT6 előadás: a csapadékvíz kémiája

2 A víz körforgalma tengerek óceánok szárazföld párolgás évente 45472ezer km 3 lecsapódás évente ezer km 3 A teljes vízmérleg nulla összegű. Szárazföldekre több csapódik le, mint elpárolog: folyók vízhozama. Mindig éppen a levegőben van 13 ezer km 3 folyékony víznek megfelelő H 2 O. A víz tartózkodási ideje a levegőben 10 nap. (Ez a vízoldható anyagok tartózkodási idejének is felső korlátja.)

3   Az édesvíz forrása a csapadék (források, patakok, folyók, tavak)   Aeroszol részecskék és nyomanyagok eltávolítása   Az eltávolítás főbb útjai (ld. a „Források és nyelők” előadást): száraz ülepedés (dry deposition) nedves ülepedés (wet deposition (rainout, washout) ) rejtett ülepedés (occult deposition, hidden deposition) A víz körforgalmának jelentősége

4  Szennyezőanyagok eltávolítása a levegőből csapadékkal.   Eltávolítás esőcseppel (rainout) szennyezőanyagok bekerülése a felhők vízcseppjeibe + kikerülés esővel  Kimosodás (washout) Az esőfelhő alatt a hulló vízcseppek begyűjtik a légszennyezőket  Rejtett ülepedés (occult/hidden deposition) A ködcseppek lerakódnak a fák leveleire és áztatják azt. Probléma magashegységekben. A ködcsepp sokkal savasabb lehet, mint az esőcsepp.  A nedves ülepedés nagyon hatékony módja a levegőtisztításnak!  Néhány óra eső a szennyezők nagy részét eltávolítja. Nedves ülepedés

5 Ülepedés függése a cseppmérettől  Nagyon kicsi cseppek (átmérő < 0,1 μm) gázként viselkednek, Brown-mozgással közlekednek. Eltávolításuk száraz ülepedéssel.  Közepes cseppek (átmérő 0,1  1,0 μm) főleg nedves ülepedéssel távoznak.  Nagy cseppek (átmérő >10μm) gravitációs kihullás.  Nagyon nagy cseppek/részecskék (átmérő > 150 μm) hamar kihullanak, nem jutnak messze

6 Ülepedési folyamatok  Légszennyezők sorsa: kibocsátás transzport kémiai átalakulások ülepedési folyamatok

7 A telített gőznyomás értéke függ a folyadékfelszín görbültségétől: a felülről nézve homorú (  ) felszínhez kisebb gőznyomás tartozik, mint a sík felülethez, a felülről nézve domború (  ) esetben pedig fordítva. Görbült felületek gőznyomása A jelenség alapja: folyadék-gőz határfelületek viselkedése felületi feszültség Kapcsolatos jelenség: kapilláris emelkedés A  arányossági tényező neve felületi feszültség: Mértékegysége: N/m ill. J/m 2

8 Görbült felület gőznyomása: Kelvin-egyenlet p* a sík felület telített gőznyomása  folyadék–gőz határfelületi feszültség Vm a folyadék moláris térfogata r a folyadékfelszín görbületi sugara + előjel: felülről nézve domború felszín (  ) - előjel: felülről nézve homorú (  ) felszín Kelvin-egyenlet = Thomson-egyenlet (Lord Kelvin született William Thomson, angol fizikus ( ))

9   A vízgőz homogén kondenzációja csak jelentős túltelítettségnél indul meg   Vízben oldódó részecskéken (pl. (NH 4 ) 2 SO 4, NH 4 NO 3, bizonyos szerves anyagok) a kondenzáció már <100% relatív nedvességnél megindul [ok: az oldatra vonatkozó telítési gőznyomás kisebb, mint tiszta vízre]   Vízben oldódó részecskék mindig vannak a légkörben  a vízgőz mindig heterogén módon kondenzálódik   Az aeroszol részecskék egy része a felhő keletkezésekor a felhőcseppbe kerül (rajta indul meg a kondenzáció [kondenzációs mag]) Aeroszol részecskék szerepe A CSAPADÉKVÍZ KELETKEZÉSI PILLANATÁBAN SEM TISZTA, DESZTILLÁLT VÍZ!

10   Minél görbültebb a felület (r kicsi), annál magasabb a telítési gőznyomás gyakorlatban:vízben oldható – r > 0,01 μm vízben oldhatatlan – r > 0,1 μm (de nedvesíti!) szárazföldek felett az aeroszol részecskék < 1%-a, óceánok felett 10-20%-a lesz kondenzációs mag   az, hogy miből lesz kondenzációs mag, a túltelítettségtől is függ Aeroszol részecskék szerepe

11 kondenzáció → telítettség csökken → egyensúly emelkedő levegő → hűl → telítettség nő → további kondenzáció gyors hűlés → nagyobb túltelítettség → apróbb részecskék is kondenzációs maggá válnak

12 Aeroszol részecskék szerepe   a kondenzációban inaktív (túl kicsi, nem oldódó) részecskék koagulációval kerülhetnek a cseppbe   a koaguláció a kis részecskékre gyors → gyorsan elfogynak a felhő belsejében (utánpótlás lassú)   ha a felhő elpárolog, a kis részecskék „nem keletkeznek vissza” – a felhőképződés átrendezi a méret szerinti eloszlást   ha csapadék keletkezik → gravitációs koaguláció a hulló cseppek legázolják az útjukba kerülő részecskéket (a nagy részecskékre hatékony, a kicsik kitérnek)

13 Aeroszol részecskék szerepe   a kondenzációs magok nagy része savas anyag (H 2 SO 4, HNO 3 só) – mire esőcsepp lesz a felhőcseppből annyira felhígul, hogy elhanyagolható   a koagulációval befogott anyag sokkal több finom részecskék, más felhőcseppek (savas anyagok, szerves részecskék, fémek, stb.) nagy részecskék (főleg talajeredetű alkalikus anyagok, biológiai anyag, stb.) a gravitációs kihullás során (csökkenti a felhőcsepp savasságát)

14 Henry-törvénye Reális elegyben a kis koncentrációban jelen levő komponensre (oldott anyag) Henry törvénye érvényes: ahol H i nyomásdimenziójú állandó. p i a gáz/gőz parciális nyomása H i nyomásdimenziójú állandó x i az oldott anyag móltörtje a folyadékban.

15 Gázok oldódása – Henry-törvény   A Henry-féle együttható megadja a gázok oldhatóságát: T = 283 K hőmérsékleten H HCHO =390 Pa, H CO2 =1,6·10 8 Pa, H CH4 =2,9·10 8 Pa Minél nagyobb H, annál kevésbé oldódik a gáz Kimosódási együttható (  ):

16 Gázok oldódása   a gázmolekulák oldatcseppecskék felé haladását ugyanúgy a molekuláris diffúzió szabályozza, mint a vízmolekulákét → az oldható gázok beoldódása a kondenzációval együtt folyik   a beoldódás addig tart, amíg az oldatbani koncentráció egyensúlyba nem kerül az anyag légköri parciális nyomásával – beoldódás gyors → gyakorlatilag állandó (dinamikus) egyensúly   nyomgázok forrása általában a felszínen → általában lefelé nő a koncentráció  a hulló cseppbe folytatódik a beoldódás, jelentős mennyiségű anyag távozik (NEDVES ÜLEPEDÉS)

17 Kimosódási együttható (példa) A vizsgált gáz tömege (mol): M 0 = M f(olyadékban) + M g(áz) A felhő térfogata (m 3 ): V c Egyesített gáztörvényből: Henry-törvényből: Víztartalom megadása általában g/m 3 -ben: gáz parciális nyomásavíz tömeg molsúly

18 Kimosódási együttható (példa): ha nem lenne kémiai átalakulás DE VAN! T = 283 K, L = 1 g/m 3

19 A szén-dioxid oldódása: disszoc. együttható: K 1 disszoc. együttható: K 2 Henry-törvény: >1 effektív Henry-féle együttható jobban oldódik, mint kémiai átalakulások nélkül

20 A szén-dioxid oldódása a disszociáció ellenére az oldat elektromosan semleges marad! disszoc. együttható: K 1 disszoc. együttható: K 2

21 A szén-dioxid oldódása: T = 298 K [CO 2 ] = 380 ppm pH = 5,63 CO 2 mindenütt jelen van → a pH = 5,6 körüli csapadék a légkör szempontjából „semleges” csapadék. Ehhez alkalmazkodott a természet. (Kémiailag enyhén savas – természetes savasság.)

22 A CO 2 Henry törvénye szerint oldódik a vízben: CO 2 keverési aránya a levegőben 355 ppm = 0,0355% p CO2 = Pa  355  = 36,0 Pa H CO2 = 1,65  10 8 Pa (Henry-állandó) x CO2 = p CO2 /H CO2 = 2,18  (móltört) tiszta víz: móltört= 1; 1000/18= 55,55 mól dm -3 [H 2 O. CO 2 ] = 1,21  mól dm -3 K= [H 2 O. CO 2 ] / [H + ][HCO 3 - ] pK= 6,3  K= 10 6,3 = 1,995  10 6 CO 2 oldódása csapadékvízben - végigszámolva

23 [H 2 O. CO 2 ] = 0,011 mól dm -3 K= [H 2 O. CO 2 ] / [H + ][HCO 3 - ] K= 10 6,3 = 1,995  10 6 x = [H + ] = [HCO 3 - ] x = ([H 2 O. CO 2 ]/K) 1/2 = (1,21  / 1,995  10 6 ) 1/2 = 2,46  = [H + ] pH= 5,61 CO 2 oldódása csapadékvízben – végigszámolva 2

24 A csapadék savassága: CO 2 mellett a legfontosabb beoldódó gázok: SO 2, HNO 3 (savas) NH 3 (lúgos) egyebek: HCHO, H 2 O 2, szerves savak – kicsi a jelentőségük, (katalitikus oxidáció) (hidratáció) Ehhez adódik az aeroszol részecskék szulfát, nitrát, ammónium, stb. tartalma. Jelentős antropogén SO 2 /NO 2 források hatása → savas csapadék pH < 5,6, akár 3 is lehet (400-szor savasabb, mint a természetes!)

25 A csapadék savassága   a felhőcsepp általában savasabb, mint a csapadék (mert hulltában alkalikus részecskéket fog be) ezért kritikus a rejtett ülepedés   a csapadékhullás kezdetén savasabb a csapadék, mint később (gázok kimosása a csapadékhullás kezdetén)   a kis csapadékmennyiség savasabb, mint a nagy (gázok kimosása a csapadékhullás kezdetén) A csapadék jelentős mennyiségű anyagot távolít el a légkörből és juttat vissza a talajra → NEDVES ÜLEPEDÉS

26 A csapadékkémiai vizsgálatok   a nedves ülepedés hasznos (pl. tápanyag) és káros (pl. savasodás, eutrofizáció, ártalmas anyagok bekerülése a táplálékláncba) is lehet   csapadékkémiai vizsgálatok kezdete: Dalton, 1825: Salin impregnation of rain (A csapadékvíz sótartalma) Rothamsted (Anglia): 1853-tól többé-kevésbé folyamatos csapadékkémiai vizsgálatok

27 A csapadékkémiai vizsgálatok   Magyarországi vizsgálatok: Kazay Endre, 1902, Ógyalla Mennyi növényi tápanyag (nitrogén-vegyület) érkezik légkörből? „A légköri nedvességek lecsapódása alkalmával a fenti alkatrészek oldott állapotban a földfelszínre kerülnek, s mivel nitrogént tartalmaznak, nagymértékben hozzájárulnak a föld trágyázásához, az alábbi táblázatok majd ki fogják mutatni, hogy egy-egy ún. „kövér eső” annyi termékenyítő nitrát- és ammoniak-vegyületet hoz a földre, hogy érték tekintetében hektáronként kg műtrágyával felér.”  1965: Mészáros-Kozák – országos csapadékkémiai mérőhálózat kiépítése elsősorban agrokémiai célokra  1973-tól csapadékkémiai mérések nemzetközi megfigyelési programok számára (WMO, EMEP 1977-től), elsősorban környezetvédelmi célból  1902-től az 1980-as évek elejéig a csapadékvíz nitrát tartalma kb. hétszeresére nőtt! Horváth László: Savas esők. Gondolat Zsebkönyvek. Gondolat Kiadó, Budapest, 1986.

28 Csapadékkémiai mérések „automata” csapadék-mintavevők – csak a csapadékhullás ideje alatt vannak nyitva (csak nedves ülepedés, száraz ülepedés kizárva) napi vagy havi mintavétel — — — — — — — elektromos vezetőképesség fémek, szerves anyagok Mérések minőségellenőrzése: a csapadék elektromosan semleges [anion] = [kation] ion-mérleg számítás a számított és mért pH érték összevetése ion-konc. * ion-mozgékonyság a számított és mért elektromos vezetőképesség összevetése

29 A félév vége: 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