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 TT2 előadás: Sztratoszférikus ózon

2 CHRISTIAN FRIEDRICH SCHÖNBEIN, kémia professzor, Basel 1839: felfedezi az ózont elektromos kisüléseknél, vízbontásnál keletkező szagos anyag neve a görög „ozein”-ből (szagolni) (néhány év múlva Soret tisztázza, hogy az ózon O 3 ) 1850-es évek: az ózon jelen van a légkörben, mérési módszert dolgoz ki oxidatív tulajdonsága miatt légtisztító hatást tulajdonít neki 1850-es évek: európai mérőhálózatot szervez Divéky Erika, Légkör 2003/4, old.

3 Schönbein ózonmérő hálózata (kb ) A térkép nem teljes, további állomások is léteztek!

4 : Sir Walter Noel Hardy tisztázza, hogy miért hiányzik a felszínen a napsugárzásból a 0,3 μm alatti sáv  O 3 elnyeli (Hardy-sáv) 1913: John William Strutt (Lord Rayleigh) A talajközeli ózonmennyiség nem elegendő a 0,3 μm alatti sáv kiszűréséhez 1920: Gordon M. B. Dobson (Oxford) Módszer a légkör teljes ózonmennyiségének meghatározására 1926: 6 Dobson-spektrofotométerből álló globális mérőhálózat a teljes légköri ózontartalom mérésére 1929: Gordon M. B. Dobson Módszer az ózon magasság szerinti eloszlásának meghatározására

5 Földközeli [O 3 ] ~ ppb sztratoszférai [O 3 ] ~ 5-10 ppm

6 Ózonmennyiség mérése Dobson-módszerrel (1927) Milyen vastag réteget képezne az ózon a felszínen (1 atm, 0 o C)? 0,01 mm O 3 = 1 Dobson Egység (DU) átlag  300 DU = 3 mm O 3 elnyelési sávjában és egy közeli hullámhosszon is mérjük a légkör teljes elnyelését. Így lehet csak Földfelszíni mérésekkel magassági profilt mérni!

7 Dobson-egység: az ózon összmennyisége Az összes ózont megfeleltetik 1 atm nyomású 3 mm vastag ózongáznak. Valójában kb. 30 km vastag az ózonréteg kis nyomáson!!! Gordon Dobson ( )

8 lassú (J kicsi) gyors lassú (nagy aktiválási energia)

9 [O] < < [O 3 ] [O] x = [O 3 ] + [O] ~ [O 3 ] párosítatlan oxigén (50 km alatt legalább 99%-a O 3 )

10 O 2  O( 3 P) + O( 3 P) küszöb: = 242 nm O 2  O( 3 P) + O( 1 D) küszöb: = 176 nm

11 O 3 molekula UV abszorpciós spektruma (T= 298 K) Hartley sávok nagyon erős elnyelés Fő fotolízis termékek: O( 1 D) + O 2. A sztratoszféra nagyon száraz (H 2 O ~ 5 ppm), O( 1 D) + M  O( 3 P) + M

12 J 1 = O 2 fotolízis sebessége (s -1 ) J 3 = O 3 fotolízis sebessége (s -1 ) J 1 csak nagy magasságban lesz nagy (1) J 1 /J 3 gyorsan nő a magassággal (2)p  exp (-z) tehát [O 2 ] 2 [M] gyorsan csökken a magassággal z Az [O 3 ] számolási képletből következik, hogy ózonréteg van magasság / km J1J1 J3J3 J1J1 J3J3

13 1960-as évek: Nem egyezik a mért és a Chapman- mechanizmussal számított ózon-eloszlás! Kétszer kisebb a valódi ózonkoncentráció! Forrás: Seinfeld-Pandis, 1998 Valami fogyasztja az ózont!

14 Nobel-díjas levegőkémikusok Paul J. Crutzen Mario J. MolinaF. Sherwood Roland Kémiai Nobel-díj (1995): „...a levegőkémia területén végzett munkájukért, különös tekintettel az ózon keletkezésének és lebomlásának vizsgálata terén elért eredményeikre”

15 1970-es évek eleje: a sztratoszférában zajló katalitikus ózon-bomlás reakciómechanizmusának megismerése (Crutzen – Molina – Rowland, Nobel-díj [1995]) R5: O 3 + X → XO + O 2 R6: XO + O → X + O 2 O 3 + O → 2 O 2 Ez olyan, mintha a Chapman-mechanizmus 4. lépése sokkal gyorsabb lenne! X = OH, NO, Cl, Br, F,...

16 Vegyük észre, hogy a X+O 3 (k 5 ) és XO+O (k 6 ) reakciók sebességi együtthatója sokkal nagyobb, mint a O + O 3 (k 4 ) reakcióé! Már kevés X is nagy hatást okoz! k5k5 k6k6 k4k4

17 CFCl 3 + hν → CFCl 2 + Cl λ < 260 nm CF 2 Cl 2 + hν → CF 2 Cl + Cl λ < 240 nm O 3 + Cl → ClO + O 2 ClO + O → Cl + O 2 O 3 + O → 2 O 2 2. reakció nagyon gyors: 10 5 ciklus, mielőtt valami a Cl-t vagy ClO-t kivonná: kevés Cl is hatékonyan bontja az ózont

18 OH forrása: H 2 O és CH 4 O * + H 2 O → 2 OH O * + CH 4 → OH + CH 3 O 3 + hν → O * + O 2 N 2 O + hν → N 2 + O * O 2 + hν → O * + O O 3 szempontjából nem jelentős ez a domináns reakció! NO forrása: N 2 O és közvetlen bevitel (repülőgépek) O * + N 2 O → 2 NO NO 2 + hν → NO + O* NO 2 + hν → NO + O Cl forrása: CH 3 Cl és halogénezett szénhidrogének CH 3 Cl + hν → CH 3 + Cl CFCl 3 + hν → CFCl 2 + Cl CF 2 Cl 2 + hν → CF 2 Cl + Cl..... F forrása: halogénezett szénhidrogének Br forrása: halogénezett szénhidrogének (halonok)

19 Null ciklus: rontja az ózonbontás hatásfokát O x nem fogy Tároló ciklus: Eltávolítja az X katalizátort. A tárolóanyag nem reaktív és alig fotolizálódik. Ebből vissza tud képződni X, de lassan. Rontja az ózonbontás hatásfokát Egy Cl-atom elbont O 3 molekulát, mire HCl-ként tárolódik.

20 Kölcsönhatások a katalitikus ciklusok között ClONO 2 egyszerre két katalizátort tárol: ClO és NO 2 Csatolt katalitikus ciklusok

21 A különféle katalitikus ciklusok hatása nem additív a csatolások miatt MechanizmusÓzon-szint (Dobson-egység) Chapman egyedül (C)644 C + NO x 332 C + HO x 392 C + ClO x 300 C + NO x + HO x + ClO x 376 Cl és NO növelése együtt kevésbé hatásos, mint ezek növelése külön- külön.

22 Bróm-atom ciklus Br + O 3  BrO + O 2 Cl + O 3  ClO + O 2 BrO + ClO  Br + ClOO ClOO  Cl + O 2 Net 2O 3  3 O 2 Br és Cl újra képződik; nem kell hozzá O-atom: kis magasságban is működik Br-atom forrása: CH 3 Br (természetes emisszió a talajból; talaj gombaölőszer) halonok (tűzoltószer) HBr és BrONO 2 (az aktív Br tárolóanyagai) könnyebben fotolizálódnak, mint a HCl és ClONO 2 Szerencsére kevesebb a Br mint a Cl Br nagyon fontos az O 3 bontásban, ha kevés az [O]

23 : Felismerik a sztratoszférikus ózonmennyiség csökkenését, tisztázzák az okát (CFC kibocsátás, Cl felszabadulás). Előrejelzés: változatlan CFC kibocsátás mellett 100 év múlva felére csökkenhet a sztratoszféra ózonmennyisége 1978-tóla British Antarctic Survey Halley Bay-i állomásán időnként jelentős ózoncsökkenést észlelnek 1985:Megjelenik Joseph Farman és munkatársai cikke a Nature-ben (Vol. 315, old): az antarktiszi tavasz kezdetén egyre növekvő ózonmennyiség csökkenést észlelnek, amely esetenként eléri a 40%-ot is

24  TOMS (Nimbus 7 műholdon) o földi Dobson spektrofotométer Októberi (tavaszi, magyar április!) ózonszint Halley Bay, Antarktisz

25 15 km magasságban az összes ózon eltűnik 2 hónapon belül! Ezt nem lehetett csak gázfázisú kémiai reakciókkal megmagyarázni! antarktiszi USA kutató- állomás

26 MEGFEJTÉS:a poláris sztratoszférikus felhők (PSC) heterogén kémiai reakciói  Nincs napfény → nincs energiaelnyelés a sztratoszférában → erős lehűlés  Poláris örvény az Antarktisz felett → minimális légcsere a szubantarktikus területekkel → extrém alacsony hőmérséklet ( < -80 o C)  H 2 O és HNO 3 együttes kondenzációja (salétromsav- trihidrát kristályok, poláris sztratoszférikus felhők), a keletkező kristályok felületén heterogén kémiai reakciók

27 HNO 3 3 H 2 O HCl ClONO 2 ClONO 2 + HCl (sz) → HNO 3(sz) + Cl 2 Cl 2 ClONO 2 + H 2 O (sz) → HNO 3(sz) + HOCl HOCl HOCl + HCl (sz) → H 2 O (sz) + Cl 2 CH 4 + Cl → HCl + CH 3 ClO + NO 2 + M → ClONO 2 + M N2O5N2O5 ClNO 2 N 2 O 5 + HCl (sz) → HNO 3(sz) + ClNO 2 NO 2 + O 3 → NO 3 + O 2 NO 3 + NO 2 + M → N 2 O 5 + M ClO Cl 2 O 2 ClO + ClO → Cl 2 O 2

28 Cl 2 HOCl ClNO 2 ClO Cl 2 O 2 HNO 3 3 H 2 O Cl 2 + hν → Cl + Cl HOCl + hν → Cl + OH ClNO 2 + hν → Cl + NO 2 ClO + O → Cl + O 2 Cl 2 O 2 + hν → 2 ClO Cl OH Cl NO 2 NO ClO Cl

29 Az ózonlyuk nagysága

30 Októberhavi átlagos ózonszintek (Dobson-egységben)

31 Miért baj az ózonlyuk?

32 2000. októbere: Chilében és Argentinában figyelmeztették a lakosságot, hogy 11:00 és 15:00 között ne menjen az utcára! Ushaia, Argentina: a világ legdélebbi városa

33 AZ ÓZON-LYUK KIALAKULÁSÁNAK FELTÉTELEI: nagyon alacsony hőmérséklet (<195K) nagymennyiségű klór-vegyület csak a sarkvidék felett, a poláris örvényben tud kialakulni Arktisz?

34 UV-C nm UV-B nm UV-A nm Az UV-sugárzás fajtái UV-A Elősegíti a csontképződést és a barnulást. Hiányában angolkór lép fel. Károsítja a kollagénrostokat, hozzájárulva így a bőr öregedéséhez. Roncsolja a bőrben levő A-vitamint is. Közvetve képes károsítani a DNS-t. UV-B Nagy részét elnyeli a Föld ózonrétege. Közvetlenül károsítja a DNS-t és a bőrt is. A szemet is károsíthatja. UV-C Teljesen elnyeli a földi légkör.

35 O 3 mennyiség csökkenés növekvő UV-B sugárzás a felszínen DNS károsodások genetikai károk, mutációk, bőrrák, szürkehályog, immunrendszer gyengülése UV-C nm UV-B nm UV-A nm 1%-os O 3 csökkenés kb. 2% növekedés a bőrrákos esetekben Forrás:

36 Földfelszíni koncentrációértékek 45 év100 év élettartam

37 Katalizátor anyagok (CFC!) antropogén kibocsátásának növekedése O 3 mennyiség csökkenése

38

39 Ózon-bontó potenciál (ODP - Ozone Depletion Potential) légköri élettartam fotolízis hullámhossza katalízis hatékonysága molekulánkénti halogénatom- szám A legagresszívebb ózon-bontó anyagok minél gyorsabb kivonása, helyettesítése

40 1985 (Bécs): elvi állásfoglalás (a probléma létezésének elismerése, szándéknyilatkozat) – Bécsi Konvenció 1987 (Montreal): konkrét megállapodás (megállapodás 5 freon fokozatos kivonásáról) - Montreali Jegyzőkönyv 1990 (London): a Montreali Jegyzőkönyv kiegészítése (10 freon, 3 halon, CCl 4 teljes kivonása 2000-ig) 1992 (Koppenhága): a Montreali Jegyzőkönyv kiegészítése (a már szabályozott anyagok kivonása 1995-ig, HCFC-k kivonása 2030-ig, CH 3 Br korlátozása) 1995 (Bécs): 1997 (Montreal): 1999 (Peking): 2007 (Montreal): a Montreali Jegyzőkönyv kiegészítései (szigorítások, gyorsított kivonás, anyagjegyzék bővítés)

41 Ózonlyuk: egy környezetvédelmi sikertörténet

42 Forrás: NOAA gyártás és kereskedelem könnyen ellenőrizhető (kevés gyártó) gazdasági érdek (helyettesítő anyagok fejlesztése [HCFC]) PROBLÉMÁK halon vegyületek helyettesíthetősége (pl. CH 3 Br) HCFC-k üvegházhatásúak!

43 1985 májusban, a Brit Antarktiszi Kutatás szakemberei sokkolták a világot, amikor bejelentették, hogy hatalmas lyukat fedeztek fel az ózonrétegben az Antarktisz felett. Az „ózonlyuk” a hetvenes évek óta minden tavasszal megnyílik. A zavaró felfedezés környezetvédelmi győzelmet készített elő, az 1987-es Montreali Protokollt. Ez az egyezmény a CFC használatának leállítását, és az ózonréteg helyreállítását célozta. Az ENSZ minden országa aláírta. Ez volt az első olyan ENSZ-egyezmény, mely egyetemes ratifikációt ért el. Most úgy tűnik, teljes regenerálódás áll a küszöbön. Egyes kutatók azt vetítik előre, hogy 2080-ra a globális ózon visszatér az ötvenes évekbeli szintekre. hirado.hu, május 07.

44 Eltűnt az ózonréteg fele az Északi-sark felett A Nap káros ultraibolya-sugárzásától védő ózonréteg eddig nem tapasztalt mértékű fogyatkozását figyelték meg az Északi-sark felett. A tél elejéhez képest március végére 40 százalékkal vékonyodott az ózonréteg, a korábbi legmagasabb mérték 30 százalék volt. A Déli-sarktól eltérően az Északi-sark felett nem évente visszatérő jelenség az ózon nagy mértékű fogyatkozása az arktiszi sztratoszférában, amelyben egyre inkább változó meteorológiai körülmények uralkodnak. index.hu, április 5.

45 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