Atmoszféra kémiája C. Baird, M. Cann, Environmental Chemistry S.E. Manahan, Environmental Chemistry R. Bailley et al., Chemistry of Environment Papp S. Kümmel R., Környezeti kémia Rácz S. Környezetkémia

Atmoszféra Az atmoszféra vagy légkör a Földet körülvevő gázburok. Az atmoszféra a Földhöz rendelhető anyag tömegének kevesebb, mint 0,0001 %-át (5,20×1018 kg) teszi ki, ennek ellenére meghatározó szerepe van a földi élet szempontjából. Legfontosabb funkciói a következők: Föld hőmérsékletének szabályozója, Széndioxidforrás a fotoszintézishez, Oxigénforrás az élő szervezetek energiatermeléséhez (a légzéshez), Nitrogénforrás (a N2 természetes és mesterséges átalakítása révén, Vízkörforgás közvetítő közege, Földi élet „védelmezője”: - a kozmikus sugárzás elnyelője, - a Nap nemkívánatos sugárzásának elnyelője, - a nap hasznos sugárzásának átengedője.

Atmoszféra szerkezete

Levegő összetétele felszín közelében N2:78%, O2: 21%, H2O: 1-3%, Ar: 0,9%, CO2: 0,04% O3: 1 x10-6

Az ózon és a hőmérséklet változása a magassággal

Atmoszféra összetételének változása a magassággal

Napsugárzás-föld energiaháztartása A mértékegység 1023 J/év

Fényvisszaverődés különböző felületekről

Föld sugárzásenergia egyensúlya 1340W

Nap sugárzási energiája az atmoszféra határán és a földfelszínen

A föld kisugárzott energia spektruma Szaggatott vonal az elméleti érték üvegházhatású gázok nélkül. Folyamatos vonal a reális energia eloszlás

A földre jutó és kisugárzott fényenergiák hullámhossz függése A nap sugárzási maximuma 0,5 µm-nél van.

Az elektromágneses hullámok tartományainak felosztása

Az O2 molekulák fényabszorciója az UV tartományban

Ózon abszorpciós spektruma

Az ózon mennyiségének változása a magassággal Az ózon maximum magassága egyenlítőnél 25 km, sarkoknál 18 km. A földfelszín közelében kissé megemelkedhet az ózon mennyisége a szennyezések miatt.

Ózonréteg szerepe A 300 nm körüli sugárzás a rendkívül ártalmas az emberre. Az ózon keletkezési és bomlási ciklusában a káros sugárzást eltűnik és kevésbé ártalmas sugárzás keletkezik. 1% ózon csökkenés 2% UV-B sugárzás emelkedést okoz. Az UV-B hatásai: leégés, bőrrák (strandpapucs rák), immunrendszer csökkenés embernél Fitoplanktonokra is veszélyes az UV-B A földfelszín közeli ózonnak káros a hatása (oxidáció, szmog). Évmilliókon keresztül a föld biológiája alkalmazkodott az ózon szűréshez, tehát az ózon elnyelési sávjában kisebb a védekező hatás.

Az ózon bomlásának okai 90-es évek

Az ózon minimum értékeinek évenkénti változása az Antarktisz fölött

Ózon réteg hónapos változása az Antarktisz fölött

Ózonlyuk kiterjedése Dobson egység: 0,01 mm vastag O3

Az északi féltekén is van ózonlyuk Nyári térkép

A meghozott intézkedések lassú javulást okoznak

Uralkodó szelek a szennyezéseket a sarkok felé sodorják A magas légköri levegő szennyezések nőnek a sarkok fölött.

Kozmikus sugárzást szűrő Van Allen mágneses övek szerkezete

Az ózon keletkezése és természetes bomlása Az oxigén molekula fotokémiai disszociációját a 241 nm-nél (495 kJ/mol) rövidebb hullámhosszú fény okozza. Az oxigén tipikus reakciója a sztratoszférában: Az ózon disszociációja:

Ózon molekula bomlása

Néhány éghető anyag klórtartalma Tüzelőanyag Klórtartalom % Égethető anyag Lignit, szén 0.01– 0,2 Kommunális hulladék 0,05 – 0,25 Tüzelőolaj 0,001 Kórházi hulladék 1 – 4 Biogáz 0,005 Elektronikai hulladék 0,1 – 3.5 Fakéreg 0,02 – 0,4 PVC 50 Papír, textil 0,1 – 0,25 Kommunális szennyvíz iszap 0,03 – 1 Fa Lágyszárú növények 0,5 – 1,5 Földgáz Nem jelentős

CFC vegyületek ózonréteg csökkentő (ODP) és globális felmelegítő (GWP) potenciáljai* Élettartam (év) ODP GWP CO2 1 CFC-11 50 1.0 4680 CFC-12 102 0,82 7100 CFC-113 85 0,9 6030 HCFC-141b 9,4 0,1 713 CF4 >50000 6500 CH3Br 1,3 0,6 144

Klímát befolyásoló tényezők

A légköri reakciók típusai A légköri reakciók egy része homogén gázreakció. A reakciók nagy részét a nap sugárzása katalizálja. Ezek nagy része gyökös jellegű. A részecskék szilárd felületén (por) is sok atmoszférikus reakció játszódik le főleg ionos. A párában (felhő, eső) és a részecskék felületén adszorbeált vízben a reakciók jellege folyadékfázisú inkább ionos. A több molekuláris légköri reakciók oxidatívak.

Reakció séma a tropszférában

Atmoszféra kémiájának főbb elvei Az atmoszféra oxidativ környezet Gyakran gyökös mechanizmus szerint zajlanak a reakciók A reakciók sokszor fénykatalizáltak

Oxigén főbb reakciói Légkör Talaj + légkör Talaj + légkör

Kémiai reakciók a troposzférában

Légkört mérgező anyagok eredete Elégtelen égés forrása számos szennyezésnek (PAH, CO, NO). Az égéstermékek is szennyezik a levegőt (CO2, SO2), Egyes szennyezők a levegő komponenseivel reagálva keletkeznek (Formaldehid, HNO3, H2SO4) PAH, dioxin vegyületek általában részecskékhez tapadnak. Nehézfém szennyezések részecskékhez (flying ash) tapadnak. Szerveshalidok (hajtógáz, oldószer) párolgás miatt kerülnek az atmoszférába. A vízgőzdesztilláció miatt kevésbé illékony szerves vegyületek is a légkörbe kerülnek.

Különböző légszennyező gázok eredete USA-ban

Atmoszféra légnemű szennyezői

Energia termelés légköri szennyezői Ezekhez járul még a por szennyezés és a salak. A fenti gázszennyezők gyakran szilárd részekhez tapadnak szmogot alkotva.

A szén-monoxid képződés kémiája A szén-monoxid képződésével az alábbi esetekben kell számolni: Szén vagy széntartalmú anyagok tökéletlen égése Izzó szén és szén-dioxid reakciója Szén-dioxid disszociációja nagy hőmérsékleten Magyarországon a rosszul záró ajtókhoz tervezett fűtés jó zárók esetén balesetet okoz. (Bajnóczy G.)

Szén vagy széntartalmú anyagok tökéletlen égése C tart. tüzelőanyagok → [H, OH˙, CH2O, CO] → CO2 + H2O Közti termék az égés végtermékeként jelenhet meg (pl. CO) oxidatív pirolízis kiégési zónában Ha nincs elég levegő nem megy végig. (Biomassza tüzelés) 650ºC alatt leáll (BMTE előadás (Bajnóczy G.) )

Szén-monoxid hatása az emberre Egészség károsító hatás: CO az oxigén felvételt gátolja Hemoglobin: O2 és a CO2 szállítása. CO2Hb a tüdőben, oxigénben dús környezetben cserélődik oxigénre, míg O2Hb a szén-dioxidban dúsabb testszövetekben cserélődik szén-dioxidra. (Bajnóczy G.)

Légszennyező gázok napi változása városban

(Bajnóczy G.)

Autók légszennyezése NO Szénhidrogén CO

A nitrogén-monoxid kivonása gépjárművek füstgázaiból A belsőégésű motoroknál: keletkezett füstgázok kezelése Az égés körülményeinek változtatása megoldás lehet, de ezzel egyidejűleg más légszennyező anyagok (CO, szénhidrogének) koncentrációja a növekedhet Nincs olyan levegő – tüzelőanyag arány, amelyik minden szempontból megfelelő lenne. BMTE előadás (Bajnóczy G.)

Nitrogénvegyületek és felszínközei koncentrációi

Kénvegyületek és felszínközei koncentrációi

(Bajnóczy G.)

BMTE előadás (Bajnóczy G.)

A levegő kén-dioxid tartalmának átalakulása kénsavvá katalitikus úton A katalizátor a vízcseppbe bejutó szálló hamu fém- elsősorban vas és mangán –tartalma. Bajnóczy G.

A levegő kén-dioxid tartalmának átalakulása kénsavvá fotokémiai úton A kén-dioxid fotokémiai oxidációja során a hidroxilgyökök hatására 2 lépésben megy végbe a kén-trioxiddá történő átalakulás. O3 + fény = O + O2 O + H2O = 2 OH• OH• + SO2 + M = HSO3• + M* HSO3• + O2 = HO2• + SO3 A keletkező kén-trioxid vízgőzzel kénsavvá egyesül: SO3 + H2O = H2SO4 Bajnóczy G.

Magyarországi kéndioxid kibocsátások (1998, kt/év)

Savas eső tipikus összetétele Természetben gombásodás, fapusztulás Lakott területen, kő és fémszerkezet pusztulás

A savas eső hatása a vízi élővilágra Vízi élőlények pH tűrőképessége A csigák, kagylók lassú mozgásuak, pH tűrőképességük viszonylag szűk sávra korlátozódik így előfordulásuk változatossága, egyedszámuk minősítheti a víz szennyezettségét. Bajnóczy G.

Savas eső hatása CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + H2O + CO2

Tüzelésből eredő pirogén szennyezők

Légszennyezők megoszlása

Levegőszennyezési határértékek Más a mérési idő különböző anyagokra.

Pillanatnyi és időben átlagolt szennyezési értékek összehasonlítása

Magyarországi kéndioxid kibocsátások (1998, kt/év)