A NITROGÉNVEGYÜLETEK LÉGKÖRI KÖRFORGALMA. Biogeokémiai körforgalom: anyagforgalom a bioszférán és a geoszférán (légkör, földkéreg, óceánok) keresztül.

Az előadások a következő témára: "A NITROGÉNVEGYÜLETEK LÉGKÖRI KÖRFORGALMA. Biogeokémiai körforgalom: anyagforgalom a bioszférán és a geoszférán (légkör, földkéreg, óceánok) keresztül."— Előadás másolata:

1 A 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 Tárgyalásra kerülő anyagok: szénvegyületek nitrogénvegyületek kénvegyületek

3 Nitrogén a légkörben: legnagyobb mennyiségben: molekuláris nitrogén (N 2 ) – 78,1% – 2∙10 21 g (kémiailag stabil, lassú reakciók,  ≈ 10 7 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 3 - - pl. Nitrobacteriaceae-család)

5 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

6 A denitrifikáció biztosítja a légkör állandó nitrogéntartalmát A légkör és a felszín közötti évi N 2 forgalom ~440 Tg N/év (440∙10 12 g N/év, 440 Mt N/év) kb. fele az emberi tevékenységnek köszönhető Emberi beavatkozás az N 2 forgalomba: - pillangósvirágúak (pl. lucerna, bab, egyéb hüvelyesek, stb.) széles körű termesztése → N 2 megkötés fokozása - műtrágya gyártás (: légkör) → nitrogén-kivonás a légkörből - égetés → a légköri nitrogén oxidálása

7 IPCC, 2014

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 (~327 ppb, ~0,8 ppb/év növekedés) Döntő része természetes vagy antropogén hátterű biológiai forrásokból (denitrifikáció)

9 Dinitrogén-oxid (N 2 O) Források (Tg N/év): Természetes források természetes vegetációjú talajok3,3-9,0 óceánok1,8-9,4 légkör (NH 3 oxidáció)0,3-1,2 Természetes források összesen~11 Tg N/év Antropogén források mezőgazdaság 1,7-4,8 ipari források0,2-1,8 légszenny.közvetett0,4-1,3 biomassza égetés0,2-1,0 szennyvízkezelés0,1-0,3 Antropogén források összesen ~7 Tg N/év Források összesen (IPCC, 2014) 17,9 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: ~14,3 Tg N/év

11 IPCC, 2014

12 Nyelők (Tg N/év): sztratoszféra14,3 Összesen (IPCC, 2014)14,3 Források17,9 Nyelők- 14,3 Különbség3,6 Dinitrogén-oxid (N 2 O) Források (Tg N/év): Természetes források természetes vegetációjú talajok3,3-9,0 óceánok1,8-9,4 légkör (NH 3 oxidáció)0,3-1,2 Antropogén források mezőgazdaság 1,7-4,8 ipari források0,2-1,8 légszenny.közvetett0,4-1,3 biomassza égetés0,2-1,0 szennyvízkezelés0,1-0,3 Összesen (IPCC, 2014)17,9 A források és nyelők hozama Tg(N)/év mértékegységben

13 Elmúlt 250-300 év: kb. 270 ppb → 327 ppb (~21% növekedés) 0-5000-10000-15000-20000 N 2 O üvegházhatású gáz – GWP 100 = 300

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 NO 2 ↔ PAN átalakulás PAN

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

16 Természetes források: villámlás 3-5 Mt N/év term. talajok denitrifikációja 5-8 Mt N/év kémiai forrás <1 Mt N/év(NH 3 oxidáció) sztratoszféra <0,5 Mt N/év(N 2 O bomlás) Antropogén források: mezőgazdaság 4 Mt N/év biomassza égés 6 Mt N/év fosszilis tüzelőanyagok 28 Mt N/év Összesen~50 Mt N/év ebből antropogén:~75 % Nitrogén-oxidok (NO x )

17 NO x kibocsátás növekedése 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) http://www.unece.org/env/lrtap

18 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: városokban10-200 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)

19 N2ON2ONONO 2 PAN NO 2 NO N2ON2ON2N2 NH 3 N2N2 O3O3 hνhν hνhν HNO 3 OH 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 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) közvetlen felvétel

20 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

21 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 ↓) NO y tartózkodási ideje a troposzférában 2-10 nap NO y kibocsátás lokális/regionális probléma

22 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 NO x hosszútávú transzportja (főleg a felső troposzférában) akár interkontinentális transzport NO x transzport szennyezett helyekről eredetileg szennyezetlen helyekre

23 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 ~10 Mt N/év Antropogén források: mezőgazdaság30 Mt N/év ipari tevékenység 0,5 Mt N/év biomassza égetés 9 Mt N/év Összesen ~40 Mt N/év Az antropogén kibocsátás négyszerese a természetesnek!

24

25 N2ON2ONONO 2 HNO 3 PAN NO 2 NOHNO 3 N2ON2ON2N2 NH 3 N2N2 O3O3 hνhν hνhν OH villámlás égetés HO 2, RO 2, O 3 hνhν OH denitrifikáció ipari tevékenység biomassza ég. tropopauza állatteny. bioszféra OH NH 4 + NO 3 - 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

26 N2ON2ONONO 2 HNO 3 PAN NO 2 NOHNO 3 N2ON2ON2N2 NH 3 NH 4 + NO 3 - N2N2 O3O3 hνhν hνhν OH 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

27 N2ON2ONONO 2 HNO 3 PAN NO 2 NOHNO 3 N2ON2ON2N2 NH 3 NH 4 + NO 3 - N2N2 O3O3 hνhν hνhν OH 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

28