Atmoszféra kémiája C. Baird, M. Cann, Environmental Chemistry

Az előadások a következő témára: "Atmoszféra kémiája C. Baird, M. Cann, Environmental Chemistry"— Előadás másolata:

1 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

2

3 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.

4 Atmoszféra szerkezete

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

6 Az ózon és a hőmérséklet változása a magassággal

7 Atmoszféra összetételének változása a magassággal

8 Napsugárzás-föld energiaháztartása
A mértékegység 1023 J/év

9 Fényvisszaverődés különböző felületekről

10 Föld sugárzásenergia egyensúlya
1340W

11 Nap sugárzási energiája az atmoszféra határán és a földfelszínen

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

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

14 Az elektromágneses hullámok tartományainak felosztása

15 Az O2 molekulák fényabszorciója az UV tartományban

16 Ózon abszorpciós spektruma

17 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.

18 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.

19 Az ózon bomlásának okai
90-es évek

20 Az ózon minimum értékeinek évenkénti változása az Antarktisz fölött

21 Ózon réteg hónapos változása az Antarktisz fölött

22 Ózonlyuk kiterjedése Dobson egység: 0,01 mm vastag O3

23 Az északi féltekén is van ózonlyuk
Nyári térkép

24 A meghozott intézkedések lassú javulást okoznak

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

26 Kozmikus sugárzást szűrő Van Allen mágneses övek szerkezete

27 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:

28 Ózon molekula bomlása

29 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

30 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

31 Klímát befolyásoló tényezők

32 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.

33 Reakció séma a tropszférában

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

35 Oxigén főbb reakciói Légkör Talaj + légkör Talaj + légkör

36 Kémiai reakciók a troposzférában

37 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.

38

39 Különböző légszennyező gázok eredete USA-ban

40 Atmoszféra légnemű szennyezői

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

42 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.)

43 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.) )

44 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.)

45 Légszennyező gázok napi változása városban

46 (Bajnóczy G.)

47 Autók légszennyezése NO Szénhidrogén CO

48 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.)

49 Nitrogénvegyületek és felszínközei koncentrációi

50 Kénvegyületek és felszínközei koncentrációi

51 (Bajnóczy G.)

52 BMTE előadás (Bajnóczy G.)

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

54 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.

55 Magyarországi kéndioxid kibocsátások (1998, kt/év)

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

57 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.

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

59 Tüzelésből eredő pirogén szennyezők

60 Légszennyezők megoszlása

61 Levegőszennyezési határértékek
Más a mérési idő különböző anyagokra.

62 Pillanatnyi és időben átlagolt szennyezési értékek összehasonlítása

63 Magyarországi kéndioxid kibocsátások (1998, kt/év)