Atmoszféra kémiája

C. Baird, M. Cann, Environmental ChemistryS.E. Manahan, Environmental Chemistry

R. Bailley et al., Chemistry of EnvironmentPapp S. Kümmel R., Környezeti kémia

Rácz S. Környezetkémia

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

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 Klórtartalom %

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 0,001

Lágyszárú növények 0,5 – 1,5

Földgáz Nem jelentős

CFC vegyületek ózonréteg csökkentő (ODP) és globális felmelegítő (GWP) potenciáljai *

vegyület Élettartam (év) ODP GWP

CO2 0 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 0 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:

1. Szén vagy széntartalmú anyagok tökéletlen égése

2. Izzó szén és szén-dioxid reakciója3. Szén-dioxid disszociációja nagy

hőmérsékletenMagyarországon 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)

kiégési zónában

oxidatív pirolízis

650ºC alatt leáll

Ha nincs elég levegő nem megy végig.(Biomassza tüzelés)(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. CO2Hb + O2 O2Hb + CO2

(Bajnóczy G.)

Légszennyező gázok napi változása városban

(Bajnóczy G.)

Autók légszennyezése

CO

Szénhidrogén

NO

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 = H2SO4Bajnóczy G.

Magyarországi kéndioxid kibocsátások (1998, kt/év)

Savas eső tipikus összetétele

Természetben gombásodás, fapusztulásLakott területen, kő és fémszerkezet pusztulás

A savas eső hatása a vízi élővilágraVízi 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)