A légkör kémiája

A légkör kémiája

1. A légköri összetevők és az ózon felfedezése 2. Sugárzási folyamatok

3. A légköri „fűtési” és hűtési” viszonyok

3.1. A „fűtés” (rövidhullámú napsugárzás)

3.2. A „hűtés” [hosszúhullámú (infravörös) sugárzás]

4. A főbb üvegházgázok, mint sugárzási szempontból aktív légköri összetevők tulajdonságai (táblázat)

5. A légszennyező anyagok

5.1. Az antropogén légszennyezés forrásai 5.2. A légszennyező anyagok típusai

6. Az elsődleges légszennyező anyagok néhány forrása (táblázat)

7. Nyomgázok

7.1. A vízgőz (H

O) − az üvegházhatás szempontjából a legfontosabb és legnagyobb koncentrációjú nyomgáz a légkörben

7.1.1. Jellemzői 7.1.2. Reakciói

7.1.3. Forrásai és nyelői

7.2. A szén-dioxid (CO

) − a legnagyobb koncentrációban előforduló antropogén eredetű üvegházgáz a légkörben

7.2.1. Jellemzői

7.2.2. Biokémiai és geokémiai kölcsönhatások 7.2.3. Forrásai és nyelői

7.3. Az ózon (O

) − a földi élet szempontjából a legfontosabb nyomgáz a légkörben

7.3.1. Jellemzői 7.3.2. Keletkezése

7.3.2.1. Sztratoszférikus ózon 7.3.2.2. Troposzférikus ózon 7.3.3. Trendjei

7.3.4. Forrásai és nyelői

7.4. A metán (CH

) − a legegyszerűbb és legfontosabb telített szénhidrogén a légkörben

7.4.1. Jellemzői 7.4.2. Reakciói 7.4.3. Trendjei

7.4.4. Forrásai és nyelői

7.5. A dinitrogén-oxid (N

O) – felelős a középső és alsó sztratoszféra teljes ózoncsökkenésének 30-40 %-áért

7.5.1. Jellemzői 7.5.2. Reakciói 7.5.3. Trendjei

7.5.4. Forrásai és nyelői

7.6. A klórfluorkarbon vegyületek (CFC-k) – a sztratoszférikus ózonréteg lebontásával a földi élet számára a legnagyobb veszélyt jelentik

7.6.1. Jellemzőik

7.6.2. Éghajlati/kémiai kölcsönhatásaik 7.6.3. Koncentrációik és trendjeik

7.6.3.1. A CFC-gázok koncentrációi és trendjei (táblázat) 7.6.4. Forrásai és nyelői

7.7. Az egyéb üvegházgázok – csekély mértékben módosítják a sugárzási energiamérleget

7.8. A szén-monoxid (CO) – zárt terekben feldúsulva veszélyes (halált okozó) nyomgáz

7.8.1. Jellemzői

7.8.2. Éghajlati/kémiai kölcsönhatásai 7.8.3. Trendjei

7.8.4. Forrásai és nyelői

7.9. A nitrogén-oxidok (NO

) – fontos üvegházgázok, emellett reakcióik módosítják a globális sugárzási mérleget

7.9.1. Jellemzői 7.9.2. Reakciói

7.9.3. Forrásai és nyelői

7.10. Az aeroszolok – összetett szerepet játszanak a globális sugárzási mérleg alakításában

7.10.1. Definíciója 7.10.2. Jellemzői 7.10.3. Osztályozása

7.10.3.1. Elsődleges aeroszolok

7 . 1 0 . 3 . 1 . 1 . A f ö l d f e l s z í n ről s z á r m a z ó p o r 7 . 1 0 . 3 . 1 . 2 . A t e n g e r i s ó

7 . 1 0 . 3 . 1 . 3 . A f ü s t é s k o r o m 7 . 1 0 . 3 . 1 . 4 . T r e n d j e i

7.10.3.2. Másodlagos (fotokémiai és szerves eredetű) aeroszolok 7 . 1 0 . 3 . 2 . 1 . S z u l f á t a e r o s z o l

7 . 1 0 . 3 . 2 . 2 . D i m e t i l - s z u l f i d 7 . 1 0 . 3 . 2 . 3 . N i t r á t o k

7 . 1 0 . 3 . 2 . 4 . S z e r v e s e r e d e tű a e r o s z o l o k 7.10.3.3. Vulkáni eredetű aeroszolok

7 . 1 0 . 3 . 3 . 1 . A v u l k á n i e r e d e tű

a e r o s z o l o k t u l a j d o n s á g a i ( t á b l á z a t )

7.10.4. Kémiai reakciói

7.10.4.1. Kondenzálódott anyagok fizikai kémiája és termodinamikája

7.10.4.2. Szilárd részecskéken adszorbeálódó nyomanyagok reakciói

7.10.4.3. Folyékony cseppekben feloldódott nyomanyagok reakciói.

7.10.4.4. Az aeroszol részecskék felszínén végbemenő reakciók 7.10.4.5. A vizes oldatokban lejátszódó reakciók

8. A sugárzási szempontból aktív nyomgázok 2000. évi és 2100-ra várható koncentrációja, valamint a koncentráció-növekedés okozta átlagos hőmérséklet emelkedés (táblázat)

9. Egyes üvegházgázok relatív hozzájárulása a

megnövekedett üvegházhatáshoz (táblázat)

1. A légköri összetevők és az ózon felfedezése

• Az időjárás és éghajlat fontos szerepet játszik az ember életében.

• A légkör állapota és mozgása a levegő összetételétől is függ.

• A légkört alkotó gázok alapanyagot szolgáltatnak a bioszféra életéhez (a fotoszintézishez és a légzéshez).

− Ókor: nem tudták, hogy a levegő anyagi tulajdonságokkal rendelkezik.

− i.e. 450: Empedoklész egyszerű kísérlettel igazolta a levegő anyagiságát.

− 1594: Galilei (miközben egy firenzei kútból saját készítésű berendezéssel kiszivattyúzta a vizet) rájött arra, hogy a levegőnek súlya van.

− 1643: Torricelli a levegő súlyának, a légnyomásnak a kimutatására megtervezett egy kísérletet (Viviani hajtotta végre).

− 1647: Pascal kísérleti úton bizonyította, hogy a légnyomás a magassággal fölfelé haladva csökken.

− 1667: Mayot feltételezte, hogy a levegő több gáz keverékéből áll.

− 1754: Black mutatta ki elsőként a levegőből a szén-dioxidot.

− 1772: Rutherford felfedezte a nitrogént.

− 1770-es évek eleje: Schele (svéd) azonosította az oxigént. Rájött, hogy az O2

táplálja az égést és a levegő térfogatának kb. negyedét teszi ki.

− 1777: Lavoisier rájött, hogy az O2 fontos szerepet játszik a légzésben.

− 19. sz. közepe: Schönbein fölfedezte az ózont.

− 1881: Hartly föltételezte, hogy a napsugárzás spektrumából hiányzó

0,3 µm-nél rövidebb hullámhosszúságú sávot az ózon nyeli el.

− 1918: Kimutatták, hogy a talajközeli levegő ózonmennyisége (∼40 ppb) közel sem elegendő a légoszlop teljes ózontartalmának megmagyarázásához.

2. Sugárzási folyamatok

• A legfontosabb gázok (a vízgőz és a szén-dioxid) aktívak a hosszúhullámú (infravörös) spektrumban.

• A légköri vízgőz mennyiségét a hidrológiai ciklus és a biogeokémiai folyamatok során keletkező szén-dioxid szabályozza.

• A vízgőz és a szén-dioxid befolyásolja az ózon és a metán (sugárzási szempontból aktívak) mennyiségét és eloszlását.

• További kölcsönhatások: ha a sztratoszférikus ózon lebomlik ⇒ nő az ultraibolya sugárzás ⇒ ez befolyásolja a biológiai produktivitást ⇒ ami módosítja a karbon-ciklust, megváltoztatva a CO₂-koncentrációt, stb.

3. A légköri „fűtési” és hűtési” viszonyok

− A légkör energiamérlegének összetevői:

(1) a napsugárzás közvetlen elnyelése

(2) a földfelszín és a légkör közötti folyamatos és állandó hőenergia-átvitel (3) látens hőátvitel

3.1. A „fűtés” (rövidhullámú napsugárzás)

(a) ultraibolya sugárzás – a sztratoszférikus ózon elnyeli;

(b) infravöröshöz közeli sugárzás – a troposzférikus víz (a vízgőz és a felhők), valamint a szén-dioxid (sávokban) elnyelik;

(c) többi látható és infravöröshöz közeli sugárzás – a felszín nyeli el vagy visszaverődik a világűrbe;

3.2. A „hűtés” [hosszúhullámú (infravörös) sugárzás]

(a) vízgőz-, szén-dioxid- és ózonmolekulákról, (b) a felhőkről és

(c) a földfelszínről;

4. A főbb üvegházgázok, mint sugárzási szempontból aktív légköri összetevők tulajdonságai

gázok H2O CO2 O3 CH4 N2O CFC-k ^d

jelen légköri szint (ppmv) ^a

∼1 % ^bc

∼3-6 s

370 0,01 t

∼10 s 1,75 0,31 0,0003- 0,0005

az ipari forradalom

előtti szint (ppmv)

∼1 % ^b

∼3-4 s

280 <0,01 t 0,8 0,29 0

a növekedés sebessége

(% / év)

-

? 0,5 ∼1 t -0,2 s

0,9 0,2 ∼4

forrás

(tg ^e/ év) ^c ∼1⋅10¹⁴ ∼6000 ^c - ^c 400-600 5-15 ∼1

légköri tartózkodási

idő (év)

∼0,01 >100 ∼0,1 t

∼1 s ∼10 ∼150 65-130 elnyelési

sávok rövidhullámú

tartomány (µm)

0,9; 1,1;

1,4; 1,9;

2,7

4,3 0,25 0,65

elnyelési sávok hosszúhullámú

tartomány (µm)

6,3

>20 15 9,6 7,7 7,8 8-14 ^d

kémiai

aktivitás HOx

termokémiai, vízkémiai

biokémiai, geokémiai

O (¹D) ^f t O, O (¹D) ^f

s

HOx, Ox, ClOx

biokémiai

NOx ClOx

a ppmv: milliomod térfogatrész;

1 ppmv = 10³ ppbv (milliárdod térfogatrész) = 10⁶ pptv (trilliárdod térfogatrész)

b A troposzférikus vízgőztartalmat ppmv helyett százalékosan adjuk meg. A troposzférikus vízgőz koncentrációja 0 és 4 % között ingadozik.

c A forrás az összes azonosított származási helyet reprezentálja. A vízgőz legfőbb forrása az óceánokból történő párolgás.

d A CFC-k (klór-fluor-karbon vegyületek) közül a CFC-11 és a CFC-12 járulnak hozzá legnagyobb mértékben az üvegházhatáshoz. Ebben a csoportban az egyes CFC- gázoknak infravörös sávjuk van a 8-14 µm közötti hullámhossztartományban, bár az elsősorban a 8-10 µm közötti tartományra koncentrálódik.

e tg = teragramm; 1 teragramm = 10¹² gramm

f Az O(¹D) szimbólum az oxigénatomok ¹D-vel jelölt elektromosan gerjesztett első állapotára utal.

5. A légszennyező anyagok

Elég magas koncentrációban felhalmozódva

(1) mérgezik az élő környezetet (embert, állatvilágot, növényzetet) (2) pusztítják az élettelen környzetet (épületeket, berendezési tárgyakat)

5.1. Az antropogén légszennyezés forrásai

(a) rögzített (fix)

– ipari komplexumok, erőművek, lakások, hivatali épületek, stb.

(b) mozgó (mobil)

– gépjárművek, hajók, repülőgépek

5.2. A légszennyező anyagok típusai

(a) elsődleges légszennyezők –

– közvetlenül kerülnek a légkörbe (pl. korom, füst) (b) másodlagos légszennyezők

– akkor keletkeznek amikor egy elsődleges légszennyező és valamely légkörben található anyag (pl. vízgőz) reakcióba lép.

6. Az elsődleges légszennyező anyagok néhány forrása

kategória forrás légszennyező anyag természetes

vulkánkitörések részecskék (=PM) (por,

hamu), gázok (SO₂, CO₂)

erdőtüzek füst, el nem égett

hidrokarbon vegyületek (VOC-k), CO₂, NO_x, hamu

porviharok lebegő részecskék

óceáni hullámzás sórészecskék

növényzet hidrokarbon vegyületek

(VOC-k), pollenek

hévforrások kénes gázok

antropogén

ipari papírgyárak részecskék, a kén oxidjai

– szén hamu, a kén oxidjai, a nitrogén oxidjai, erőművek

– olaj a kén oxidjai, a nitrogén oxidjai, CO

olajfinomítók hidrokarbonok, SO_x, CO

gyártás kénsav SO₂, SO₃, H₂SO₄

foszfát-

műtrágya

gáznemű flour

vas- és acél fémoxidok, füst, gőzök, porok, szerves és

szervetlen gázok műanyag gáznemű gyanta

festék/lakk acrolein, kénvegyületek

személyi gépjárművek CO, a nitrogén oxidjai,

VOC, részecskék

háztartási fűtés CO, részecskék

nyílt szemétégetés CO, részecskék

VOC = Volatile Organic Compounds: illó szerves vegyületek. A szerves vegyületek egy csoportja, melyek zöme hidrokarbonát.

7. Nyomgázok

Koncentrációjuk csekély + térben és időben rendkívül változékony.

A légcirkuláció a forrásuktól a nyelő régióikba szállítja.

7.1. A vízgőz (H

O)

− az üvegházhatás szempontjából a legfontosabb és legnagyobb koncentrációjú nyomgáz a légkörben

7.1.1. Jellemzői

• Sugárzási szempontból aktív nyomgáz; felelős a légköri homályosság jelentős részéért az infravörös tartományban (legfontosabb elnyelési sávjai:

λ = 2,7 µm; λ = 6,3 µm; λ > 20 µm).

• A légköri vízgőztartalom csaknem kizárólag a troposzférára korlátozódik.

• A vízgőz a legfontosabb üvegházgáz a légkörben. Az általa előidézett fűtési hatás kb. egy nagyságrenddel nagyobb, mint a második legfontosabb üvegházgázé, a szén-dioxidé.

• Mivel E = f(T), ha a hőmérséklet emelkedik, több víz párolog el, nő az üvegházhatás, így tovább melegszik a felszín.

• A vízgőz gyakori fázisváltozásai felhőképződéshez és az óceánból származó látens hő átvételéhez vezetnek.

• A felhők magasságuk, fajtáik és a bennük kondenzálódott vízgőz sajátosságai szerint eltérő módon nyelik el a rövid-, illetve hosszúhullámú sugárzást, módosítják a sugárzási mérleget.

7.1.2. Reakciói

• A vízből származó hidrogéngyökök az ózon lebontását katalizálják a sztratoszférában:

OH + O₃ ⎯→ HO2 + O₂

HO₂ + O₃ ⎯→ OH + 2O2 (1) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

O₃ +O₃ ⎯→ 3O2

Katalitikus: a hidrogénvegyületek újraképződnek − az OH-gyökben nincs veszteség − míg az ózon kémiai úton lebomlik, az O3-ból O₂ keletkezik.

⇒ Ha nő a vízgőz koncentrációja, akkor csökken a sztratoszférikus ózonszint. Az ózon hozzájárul az üvegházhatáshoz azáltal, hogy a felső troposzférában és az alsó sztratoszférában elnyeli a Föld-légkör rendszer hosszúhullámú kisugárzását.

⇒ A vízgőznek az ózonnal és a többi üvegházgázzal való kapcsolata a globális éghajlat módosításának fontos tényezője.

• A vízgőz légköri koncentrációja 0 – 4 V% közötti, mely helyről helyre nagyságrendekkel változhat.

• A vízgőz fajlagos térfogata (V’) néhány jellemző helyen a következő:

7.1.3. Forrásai és nyelői

Forrás:

természetes: hidroszféra (a globális víztárolók: világóceán, szárazföldek, krioszféra, légkör);

mesterséges: (1) antropogén tevékenységek;

Nyelő: u.a. + bioszféra;

;

20

2 ;

− Ι

= g ⋅ kg

V

V

1 2 ppm

2

= −

;

5

60 2 ;

−

Ι

= g ⋅ kg

V

7.2. A szén-dioxid (CO

)

− a legnagyobb koncentrációban előforduló antropogén eredetű üvegházgáz a légkörben

7.2.1. Jellemzői

• Színtelen, gyengén savanykás ízű és szagú, kémiai kölcsönhatásra nem hajlamos gáz.

• A másodlagos légkör kialakulásától kezdve természetes módon megtalálható az atmoszférában, légkörünk egyik fő összetevője. Légköri tartózkodási ideje több mint 100 év.

• A földtörténet során légköri előfordulása lényeges változásokat mutatott, s – lévén a vízgőz után a legfontosabb üvegházgáz – a globális felszíni átlaghőmérséklet is vele párhuzamosan változott. A széndioxid légköri mennyisége a földtörténeti ókorban (ordovícium, karbon, perm) és a középkorban (triász, júra, kréta) volt a legnagyobb, s a múltban mindig meghaladta a jelenlegi légköri szintjét. ⇒ a földtörténeti múlt globális felszíni átlaghőmérséklete (millió éves időskálán) mindig nagyobb volt, mint napjainkban.

• A légköri szén-dioxid megnövekedett koncentrációja befolyásolja a fotoszintézis sebességét. Az élet szárazföldi megjelenését követően a növényvilág fejlődése és a mindenkori légköri szén-dioxid mennyiségének alakulása egymásnak tükörképe.

Ok: a növények életműködésükhöz széndioxidot és vizet használnak föl, melyeket napsugárzás jelenlétében építik be szervezetükbe.

Egy adott növény által életműködése és fejlődése során fölhasznált szén- dioxid akkor kerül vissza a légkörbe, ha

(*) a növény elpusztul, lebomlik,

s akkor vonul ki hosszabb időre (esetleg több tízmillió évre) a Föld-légkör rendszer széndioxid körforgalmából, ha

(*) betemetődik, s fosszilizálódik (pl. szénképződés).

A mindenkori globális felszíni hőmérséklettől függően a világóceán óriási mennyiségű szén-dioxidot tartalmaz oldott állapotban (alacsonyabb vízhőmérséklet esetén többet, magasabb vízhőmérsékletnél kevesebbet). A karbonátos kőzetek folyamatos képződése, a mészvázú élőlények pusztulása ugyancsak hosszabb időre von ki szenet a légkörből.

• A globális biológiai aktivitás évszakos változásával együtt a CO2- koncentráció is évszakos ingadozást mutat.

• A szén-dioxid légköri koncentrációja folyamatosan nő [2002: ≈370 ppm; az ipari forradalom kezdetén (≈ 1860): ≈280 ppm]; évi növekménye: ≈1,5 ppm

• Segítségével állapítják meg a csapadékvíz standard savasságát. A légköri szén-dioxiddal egyensúlyban lévő tiszta víz savassága 5,6 pH értékű, ami jóval alacsonyabb, mint a tiszta víz semleges pH-ja (7,0). [A pH a vizes oldatok savasságának mértéke. Kiszámítása: veszik az oldat H⁺-ion koncentrációjának a (-log10)-szeresét.]

• Inert gáz. Semmilyen fontos reakcióban nem vesz részt sem a troposzférában sem a sztratoszférában.

• Az erdők kivágásának és égetésének fölgyorsulása fokozhatja a szén-dioxid légköri fölhalmozódását.

• A vízgőz után a legfontosabb üvegházgáz. A megnövekedett üvegházhatáshoz való hozzájárulása 55 %.

• Koncentrációjának a növekedése melegíti a felszínt és hűti a sztratoszférát. A sztratoszférát azáltal hűti, hogy a felső légkör vékonyabb rétegén át hőt sugároz ki a világűrbe.

7.2.2. Biokémiai és geokémiai kölcsönhatások

• Ha a légköri CO₂-koncentráció megduplázódna ⇒ a globális felszínhőmérséklet 2-4 °C-kal emelkedne ⇒ az átlagos vízgőzkoncentráció 10-20 %-kal növekedne.

• A sztratoszférikus ózonra gyakorolt hatás: E hatása az ózonnak az NO_x-ek és egyéb ózon-katalitikus anyagok által történő kémiai lebontása hőmérsékleti érzékenységéből következik. Az ide vonatkozó reakciók a következők:

NO + O3 ⎯→ NO2 + O2

NO₂ + O ⎯→ NO + O2 (1)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

O + O3 ⎯→ 2O2

Az NO-nak az O₃-al való reakciója különösen nagy aktivációs energiával rendelkezik. Így – mivel a CO₂ koncentrációja növekszik – a sztratoszféra hűl ⇒ az ózonlebontás sebessége csökken ⇒ az ózon koncentrációja növekszik.

• A szén-dioxid feloldódhat

(1) a felhőkben − ahol a felhőkben lévő víz pH-ját, vagy savasságát módosítja;

(2) az óceánokban − ahol a szénciklust indítja el.

A szén légköri/óceáni cseréje a következő folyamatokat foglalja magába:

CO₂ (gáznemű)

⇐⇒O

H₂ CO₂·H₂O (vizes)

CO²·H₂O ⇐⇒ H⁺ + HCO₃⁻ (2)

HCO³⁻⇐⇒ H⁺+ CO₃²⁻ (^⇐⇒: reverzibilis folyamatok)

a.) A CO2 feloldódása a vízhőmérséklettől függ. Minél hidegebb a víz, annál jobban oldódik a szén-dioxid.

b.) A feloldódott szénkomponenseket (CO₂·H₂O, HCO₃⁻ és ^CO32−) az óceáni fitoplanktonok fotoszintézis útján asszimilálják.

c.) A karbonátok és a bikarbonátok (a HCO₃⁻ és a ^CO32−) be is épülhetnek pl.

a kagylókba vagy egyéb szerves anyagokba, ami a karbonátos üledékek képződéséhez vezet. A mély óceánokban fölhalmozódott karbonátok és bikarbonátok a CO2 fő rövid periódusú rezervoárjai. Ennélfogva a szén- dioxid növekvő légköri mennyisége számos visszacsatolási mechanizmust indíthat el.

d.) A felszínhőmérséklet változásai befolyásolhatják a biológiai aktivitás mértékét és sebességét a Föld felszínén. Az az alapvető biokémiai folyamat, mely a légköri szén-dioxidot a szárazföldekkel és az óceánokkal összeköti, a növényi fotoszintézis:

fotoszintézis

CO2 + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 'CH2O' + O2 (3) ('CH₂O': a szerves anyag egysége)

A szerves anyagból oxidációval újra szén-dioxid keletkezik, ha elégetik, vagy ha az organizmusok − mint energiaforrást − elfogyasztják:

légzés

CH₂O' + O₂ ⎯⎯⎯→ CO2 + H₂O (4) égés

7.2.3. Forrásai és nyelői

Forrás:

természetes: (1) vulkánkitörések, (2) bioszféra;

mesterséges: (1) a fosszilis tüzelőanyagok elégetése, (2) cementgyártás (CaCO₃ → CaO + CO2), (3) papírgyártás (az erdők tarra vágása), (4) mezőgazdasági tevékenységek – pl. legelők kialakítása erdőégetéssel;

Nyelő: (1) világóceán, (2) karbonátos kőzetek, (3) mészvázú élőlények, (4) légkör, (5) növényzet;

7.3. Az ózon (O

)

− a földi élet szempontjából a legfontosabb nyomgáz a légkörben

7.3.1. Jellemzői

• Az ózon (O3) az oxigén háromatomos módosulata ⇒ annál másfélszer sűrűbb. Neve görög eredetű – jelentése: „szagot árasztó”.

• Színe halványkék, irritálja az orrot és a torkot, továbbá robbanásveszélyes és mérgező.

• A troposzférában és a sztratoszférában egyaránt megtalálható, rövid tartózkodási idejű nyomgáz – ún. változó gáz.

• Az ózonnak a légkörben természetes úton történő képződése és lebomlása napjainkig egyensúlyban volt. Ózon akkor keletkezik, ha az oxigén- molekulák elnyelik a 0,24 µm-nél kisebb hullámhosszúságú ultraibolya sugárzást, s akkor bomlik le, ha azok abszorbeálják a 0,29 µm-nél nagyobb hullámhosszúságú ultraibolya sugárzást. E két folyamat kombinációja egy viszonylag állandó ózonmennyiséget tart fenn a sztratoszférában, mely elnyeli a napsugárzás ultraibolya hullámhossztartományának kb. 90 %-át, elsősorban a 0,2-0,33 µm közötti tartományban.

• Sugárzási (fotokémiai) szempontból messze a legaktívabb nyomgáz ⇒ mind térben, mind időben igen nagy a változékonysága.

• Elnyeli a káros ultraibolya sugárzást → sztratoszférikus hőmérsékleti inverzió.

• A vízgőz és a szén-dioxid után a harmadik legnagyobb üvegházgáz potenciállal rendelkező nyomgáz.

• A légköri ózon 10 %-a a troposzférában, 90 %-a a sztratoszférában található, a legnagyobb ózontartalom 10-20 km magasságban fordul elő. Az ózon térfogati aránya a légkörben (sztratoszférikus érték) = V_ccO3 10 ppmv.

• Mértékegysége: Dobson (1 Dobson = 10^-2 mm); azt a rétegvastagságot jelenti, amellyel az ózon normális légköri viszonyok mellett a Föld felszínét egyenletesen beborítaná; a légkör átlagos ózontartalma 300 Dobson (trópusokon ≈ 220 Dobson; az arktikus régióban ≈ 600 Dobson

• Az Egyenlítő közelében termelődik, a légáramlások szállítják a magas szélességek felé

• A legkisebb az ózonkoncentráció az Antarktisz fölötti sztratoszférában (ózonlyuk), ahol a déli félgömbi tavasz (szeptember) idején éri el minimumát.

7.3.2. Keletkezése

7.3.2.1. Sztratoszférikus ózon

• Az ózon a molekuláris oxigénből – a Napból érkező ultraibolya sugárzás hatására – fotodisszociáció révén keletkezik. Legegyszerűbb teljes fotokémiai ciklusát a Chapman-formulák mutatják be:

O₂ + hv ⎯→ O + O

O + O₂ +M ⎯→ O3 + M (1)

O3 + hv ⎯→ O + O2

O + O3 ⎯→ O2 + O2

[Egy bináris reakció szimbolikusan a következő módon írható föl: X + Y → V + W, ahol X és Y a reagensek, V és W a végtermékek. Az X + Y + M → V típusú hármas reakcióban a “harmadik test – harmadik molekula” azaz M szabályozza az energiát és az impulzust a reagensek és a végtermékek között.]

[A hv szimbólumban h a Planck-féle állandó (h = 6,6262⋅10^-34 J⋅s), v (s^-1) pedig a sugárzás frekvenciája.]

Az (1) formulákban az utolsó reakció reprezentálja az ózonveszteséget (az oxigén újraképződik). Az előrejelzett ózonkoncentráció azonban túl magas

⇒ ózonszint-csökkentő folyamatokat (rekombináció) is – melyeket olyan nyomgázok, mint pl. a hidrogén, nitrogén és klór katalizálnak – figyelembe kell venni.

Hidrogén katalizál:

[lásd: ”A vízgőz” fejezet, (1) egyenlet]

OH + O3 ⎯→ HO2 + O2

HO₂ + O₃ ⎯→ OH + 2O2 (2) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

O₃ +O₃ ⎯→ 3O2

és a folyamat kezdődik újra.

Nitrogén katalizál

A sztratoszférikus ózont két természetes eredetű anyag bontja:

(a) nitrogén- monoxid (NO) és (b) nitrogén-dioxid (NO₂).

Eredetük a talajbaktériumok által előállított N₂O.

NO + O₃ ⎯→ NO2 + O₂

(3)

NO₂ + O ⎯→ NO + O2

és a folyamat kezdődik újra.

Klór katalizál

[lásd:”A klór-fluor-karbon vegyületek” fejezet, (2) egyenlet]

Cl + O₃ ⎯→ ClO + O2

ClO + O ⎯→ Cl + O2 (4)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

O + O₃ ⎯→ 2⋅O2

és a folyamat kezdődik újra.

Becslések szerint egyetlen Cl-atom átlagos sztratoszférikus tartózkodási ideje alatt kb. 100.000 db O₃ mulekulát bont le.

A klór nyelői a sztratoszférában:

(a) klórnitrát (CLONO₂)

ClO + NO₂ ⎯→ ClONO2 (5) (b) sósav (HCl)

CH4 + Cl ⎯→ HCl + CH3 (6)

• Az ózon a fotokémiai reakciók sorozatán át némely üvegházgáz elbomlásához közvetlenül, másokéhoz közvetve járul hozzá. Az ózon a középső sztratoszférában közvetlenül megtámadhatja a dinitrogén-oxidot:

O₃ + hv ⎯→ O(¹D) + O₂ (7) O(¹D) + N₂O ⎯→ NO + NO

[O(¹D): az oxigén atomok elektronikusan gerjesztett első állapotára (¹D) utal.]

Az N2O légköri élettartama a sztratoszférában végbemenő fotolízistől függ:

N2O + hv ⎯→ N2 + O(¹D) (8) Hasonló módon történik a CFC-k lebontása is. Az N₂O (és a CFC-k) O(¹D) által történő lebontásával keletkező komponensek a leginkább reakcióképes légköri összetevők.

7.3.2.2. Troposzférikus ózon

A felszínközeli szennyezett levegőben az ózonképződés a következő módon történik. A 0,41 µm-nél kisebb hullámhosszúságú napsugárzás disszociálja a nitrogén-dioxidot nitrogén-monoxidra és atomos oxigénre:

NO₂ + hv ⎯→ NO + O (9)

Ezután az atomos oxigén egyesül egy molekuláris oxigénnel egy harmadik molekula (M) jelenlétében, s ózont képez:

O₂ + O + M ⎯→ O3 + M (10) Az ózon ezt követően lebomlik, s nitrogén-dioxidot képez:

O₃ + NO ⎯→ NO2 + O₂ (11) Ha van napsugárzás, az újonnan képződött nitrogén-dioxid elbomlik nitrogén- monoxidra és atomos oxigénre:

NO2 + hv ⎯→ NO + O (12) Innen pedig a folyamat kezdődik újra.

• A troposzférában a szénhidrogének antropogén forrásai – a nitrogén-oxidok és a szén-monoxid – elősegítik az ózon képződését. A troposzférikus ózonkoncentráció lényegesen növekszik az északi félgömbön, a déli félgömbihez képest ⇒ antropogén hatás. Az ózon keletkezése a legegyszerűbb szénhidrogénből – metánból (antropogén forrásai vannak) – magas nitrogén-monoxid (NO) koncentráció esetén (antropogén forrásai is vannak) a következő:

CH4 + OH + 9O2 ⎯⎯→^NO CO2 + ¹

2H2 + 2H2O + 5O3 (13) A repülőgépek motorja által a felső troposzférába juttatott NO a (13) reakcióhoz hasonló folyamat révén ózontöbbletet eredményezhet.

Növekvő sztratoszférikus ózonkoncentráció ⇔ globális felemlegedés?

7.3.3. Trendjei

• A globális sztratoszférikus ózonmennyisg 0,2 %/év sebességgel csökken. E csökkenés függ a földrajzi szélességtől, az évszaktól és a tszf. magasságtól. A legnagyobb ózoncsökkenés a magas szélességeken télen és tavasszal, valamint a középső és felső sztratoszférában tapasztalható.

• Az Antarktisz fölötti ózonlyuk

(1) Az 1970-es évek közepe óta képződött.

(2) A mért csökkenés az ózon koncentrációjában (ami a vertikálisan integrált ózonoszlopot jelenti) elérte, sőt meghaladta az 50 %-ot a déli félgömbi tavasz idején.

(3) Az ózonlebontás a 15-25 km magasságok között a legintenzívebb.

(4) Az ózonlyukat a CFC-gázokból képződött klór és a jégkristályokból álló poláris sztratoszférikus felhők közötti heterogén kémiai kölcsönhatások hozzák létre.

(5) Az ózonlyuk az 1980-as évek során fokozatosan mélyült, s ez a folyamat azóta leállt (ami azt jelenti, hogy a további csökkenés közelítőleg a 15- 25 km közötti magasságok ózonmennyiségére fog korlátozódni).

(6) A lyuk főként azon térség vertikális és horizontális kiterjedésére korlátozódik, ahol a sztratoszférikus felhők képződnek.

(7) Az északi félgömbön a legújabb téli mérések viszonylag csekély sztratoszférikus ózonlebontást jeleznek, szemben a déli félgömbivel.

(8) Az északi félgömb magas szélességeinek enyhébb téli hőmérsékletei nem kedveznek a poláris sztratoszférikus felhők folyamatos és kiterjedt képződésének, sem a poláris örvény dinamikai stabilitásának, melyek mindegyike hozzájárul az ózonszint erőteljes csökkenéséhez a déli félgömb sztratoszférájában.

• Az ózonlyuk keletkezéséhez a téli poláris örvényes cirkuláció bizonyos fokú stabilitására van szükség ⇒ kedvező feltételek a jégszemek képződéséhez. A jégszemekből álló felhők jelenléte és az ózonszint erőteljes csökkenése viszont befolyásolják az örvény sugárzási energiamérlegét, s így annak stabilitását.

• A troposzférikus ózon mennyisége az északi félgömbön kb. 1 %-os évi sebességgel növekszik. Ez a növekedés az antropogén eredetű nitrogén- oxidok, metán, egyéb szénhidrogének, és a szén-monoxid kibocsátásával összefüggő fotokémiai folyamatokkal kapcsolatos. A déli félgömbön csupán egy gyenge ózontrend mutatható ki, feltehetően a kisebb mértékű antropogén eredetű légszennyezettség következményeként.

• Kiszámították a globális ózonkoncentráció lehetséges változásait a kémiai szempontból aktív üvegházgázok (CH₄, N₂O) és a CFC-k egyidejű növekedése esetére. Az üvegházgázok légköri mennyiségének előrejelzései a 2000-től számított 50-100 évre készültek el, azonban a CFC-kibocsátásokat a Montreáli Protokoll és a Londoni Indítvány szabályozta.

Előrejelzés: az ózonszint számottevő növekedni fog az északi félgömbi troposzférában, illetve csökken a középső és a felső sztratoszférában.

A troposzférikus ózonmennyiség növekedésének oka: (1) nő a metánkibocsátás, (2) nő az ultraibolya sugárzás (a sztratoszférikus ózonlebontás miatt).

A sztratoszférikus ózonmennyiség csökkenésének oka: (1) a nitrogén-oxidok és a CFC-k fölhalmozódnak.

Az ózonszint változásai jelentős éghajlati visszacsatolásokat tartalmaznak az ilyen szcenáriókban.

7.3.4. Forrásai és nyelői

• Forrás:

természetes: (1) villámlás, (2) egyéb elektromos kisülések, (3) vegetáció [izoprén ← lombhullató fák, terpén ← tűlevelű fák]

mesterséges: (1) fénymásológépek, (2) szolárium, Nyelő: (1) légkör;

7.4. A metán (CH

)

− a legegyszerűbb és legfontosabb telített szénhidrogén a légkörben

7.4.1. Jellemzői

• Színtelen, szagtalan, kékes színben és kormozó lánggal égő gáz. A levegővel robbanókeveréket, sújtóléget alkot.

• Sugárzási (fotokémiai) szempontból aktív nyomgáz.

• Koncentrációját biokémiai, geokémiai és antropokémiai folyamatok szabályozzák.

• Fontos üvegházgáz. A megnövekedett üvegházhatáshoz való hozzájárulása 15 %.

• Az infravörös (hő-) sugárzást a 8 µm hullámhosszon nyeli el, mely a légköri ablak (8-11 µm) része ⇒ módosítja a Föld-légkör rendszer energiamérlegét.

• Ha a globális felszínhőmérséklet emelkedik ⇒ nő a metánkoncentráció ⇒

⇒ nő az üvegházhatás. Ha melegebb az éghajlat ⇒ még nagyobb mértékű a metán-felszabadulás:

(1) a nagyobb hőmérséklet elősegíti a szerves anyagok gyorsabb anaerob lebomlását,

(2) a felmelegedés során egyre nagyobb mennyiségben szabadulhat fel a földi jégtakaróba zárt metán.

(A prehisztorikus metánkoncentrációk pozitívan korrelálnak a hőmérséklettel.)

De: ha szárazabbá válik a klíma ⇒ csökken a vizenyős (oxigénhiányos) területek kiterjedése ⇒ mérséklődik a metánképződés ⇒ mérséklődik a felmelegedés.

7.4.2. Reakciói

• A metán légköri koncentrációját a troposzférában a hidroxil-gyökkel (OH) való reakciója szabályozza [lásd: „A vízgőz” fejezet, (1) egyenlet]. ⇒ adott forrás (kibocsátó) esetén a metán légköri mennyisége ugyanazon tényezőkre érzékeny, amelyek a hidroxil-gyököt befolyásolják, beleértve a troposzférikus vízgőz és az ózon koncentrációját. A vízgőz koncentrációja különösen érzékeny a felszínhőmérsékletre. A globális melegedés növeli a légköri vízgőz mennyiségét, ennélfogva a hidroxil-gyökét is, viszont csökkenti a metán koncentrációját. A metán csökkenése azonban egy mérsékelt – metán által előidézett – melegedéshez vezet (negatív visszacsatolás, becsült értéke 10 %).

• A metán lebontása vízgőz keletkezéséhez vezet [lásd: „Az ózon” fejezet, (4) egyenlet]. Míg a vízgőz ily módon történő keletkezése a troposzférában nem jelentős, addig a középső és felső sztratoszférában, valamint a mezoszférában rendkívül fontos. Miután a metán a troposzférából a sztratoszférába kerül, a következő folyamat szerint oxidálódik:

CH₄ + OH + O₂ ⎯→ 2H2O + ¹

2H₂ + CO (1)

[Itt a reakcióba lépő OH-molekula egy vízmolekula egyik felét reprezentálja, amely az O(¹D) hatására bomlik el].

A metán növekvő koncentrációja következtében a felső sztratoszférában keletkező vízgőz lehet a felelős a jégkristályokból álló poláris sztratoszférikus felhők, valamint a világító felhők gyakoribb előfordulásáért [utóbbiak a víz jégkristályaiból állnak és a hideg nyári mezopauzában találhatók, ahol a hőmérséklet 130 K-re is süllyedhet. A sztratoszférikus felhők pl. az ózon vertikális eloszlásával összefüggő közvetlen sugárzási hatások és közvetett hatások révén kapcsolódnak a klímához.

• Az ózonra gyakorolt hatás: A metánnak számos – az ózonnal kapcsolatos – fotokémiai hatása van. A troposzférában a metán lebontása ózon képződéséhez vezethet [lásd: „Az ózon” fejezet, (13) egyenlet]. Egy hasonló – ózonképződéshez vezető – szmogszerű folyamat léphet föl a felső troposzférában és az alsó sztratoszférában, pl. akkor, ha a polgári légiközlekedés hatására nagy mennyiségű NOx kerül a levegőbe.

• A sztratoszférában a metán olyan kémiai ciklusokban vesz részt, amelyek katalizálják az ózonlebontást. A CH4 fontos szerepet játszik a klórciklusban – mérsékli a klór ózonbontó képességét:

CH4 + Cl ⎯→ HCl + CH3 (2) ahol a HCl a klór inert rezervoárja (azaz oly módon köti meg a klórt, hogy az közvetlenül nem lép reakcióba az ózonnal). A (2) reakció – a (3) reakciósorozaton át – valóban ózonképződéshez vezethet:

CH₃ + O₂ + M ⎯→ CH3O₂ + M

CH₃O₂ + NO ⎯→ CH3O + NO₂ (3) NO2 + hv ⎯→ NO + O

O +O₂ + M ⎯→ O3 + M mely egy tipikus "szmog"-reakciósorozat része.

7.4.3. Trendjei

• A történelmi időktől napjainkig a metán koncentrációja folyamatosan emelkedik. A CH4-koncentráció növekedése a népesség gyarapodásához kapcsolódik. A metán légköri mennyisége az 1800-as évek közepétől (0,8 ppm) napjainkig (1,7 ppm) kb. kétszeresére nőtt, összhangban a fokozódó antropogén tevékenységeknek tulajdonítható mintegy kétszeres metánkibocsátással. A növekedés jelenlegi üteme globális skálán kb. 1 %/év.

7.4.4. Forrásai és nyelői

• Forrás:

természetes: (1) óceánok, (2) árterületi ökoszisztémák, (3) vulkánkitörések, (4) termeszek, (5) nedves talajok, (6) szerves anyagok rothadása → mocsaras vidékeken mocsárgáz képződik, (7) természetes gázszivárgások, (8) rétegvizek;

mesterséges: (1) mezőgazdasági tevékenységek (állattartás, talajművelés, rizstermesztés), (2) szerves trágya, (3) fosszilis tüzelőanyagok elégetése, (4) szénhidrogén- és szénbányászat, (5) gázvezetékek szivárgása, (6) a biomassza égetése;

7.5. A dinitrogén-oxid (N

O)

– felelős a középső és alsó sztratoszféra teljes ózoncsökkenésének kb. 30-40 %-áért

7.5.1. Jellemzői

• Természetes eredetű nyomgáz a légkörben.

• Sugárzási (fotokémiai) szempontból aktív, de csak a sztratoszférában, ahol befolyásolja az ózonkoncentrációt (vele kölcsönhatásba kerülve lebomlik).

• Fontos üvegházgáz. A megnövekedett üvegházhatáshoz való hozzájárulása (az NO_x révén) 6 %.

• Az infravörös (hő-) sugárzást a 8 µm körüli hullámhosszon nyeli el, mely a légköri ablak (8-11 µm) része ⇒ módosítja a Föld-légkör rendszer energiamérlegét.

• A talajban a denitrifikáló baktériumok közreműködésével keletkezik.

7.5.2. Reakciói

• Sztratoszférikus ózonhatás: Az N₂O főként a napsugárzás hatására fellépő fotodisszociáció révén bomlik le a sztratoszférában [lásd: ózon, (3)]:

N2O + hv ⎯→ N2 + O(¹D) . (1)

• Az ózon jelenlétében lebomlott N₂O nitrogén-oxidokat (NO_x) képez, amint a [ózon, (2)]-ből következik:

O3 + N2O + hv ⎯→ NO + NO + O2 (2)

[Az NOx-eket gyakran úgy definiálják, mint NO + NO2 , de néha az NO3-at és a többi nitrogén-oxidot is hozzáveszik. Az NOy tartalmazza az NOx-eket, továbbá a salétromsavat (HNO3), valamint az összes többi nitrogént tartalmazó savakat és nitrátokat.].

Az NO_x egy katalitikus ciklus során reakcióba lép az ózonnal és lebontja azt.

A folyamatot az “A szén-dioxid” fejezet, (1) egyenlete összegzi:

NO + O₃ ⎯→ NO2 + O₂

NO2 + O ⎯→ NO + O2 (3)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

O + O₃ ⎯→ 2O2

• Az N₂O napjainkban tapasztalt légköri koncentrációja a felelős a középső és alsó sztratoszféra teljes ózoncsökkenésének kb. 30-40 %-áért. ⇒ az N2O- szint bármely szignifikáns változása erős visszacsatolással hat az ózon mennyiségére és eloszlására. Az ózonkoncentráció változása viszont a teljes sugárzási mérleget és az éghajlatot befolyásolja.

• A dinitrogén-oxid az anaerob környezetben történő mikrobiológiai denitrifikáció során keletkezik. Mivel az N₂O befolyásolja az ózon koncentrációját, az ózon pedig módosítja a földfelszínre érkező ultraibolya sugárzás intenzitását, amely viszont hatást gyakorol a biológiai aktivitásra, egy fotokémiai/biokémiai visszacsatolási mechanizmus állhat fönn, amely úgy működik, hogy szabályozza ezen dinitrogén-oxid forrás nagyságrendjét.

Az éghajlati rendszernek az N2O-koncentráció növekedésére adott elsődleges válasza a közvetlen sugárzási kényszerrel és a sztratoszférikus ózonlebontással kapcsolatos.

7.5.3. Trendjei

• Az N₂O-koncentráció folyamatosan növekszik. A jelenlegi növekedési ütem csekély, mindössze ~ 0.2 %/év. Mégis, ha ez a trend folytatódik, vagy fölgyorsul a 21. században, a megnövekedett N₂O-koncentráció rendkívül aggasztó lehet az ózonra és az éghajlatra nézve.

7.5.4. Forrásai és nyelői

• Forrás:

természetes: (1) óceánok, (2) a természetes biomassza denitrifikációja, (3) égés;

mesterséges: (1) a műtrágyázott mezőgazdasági területek nitrogénbevitele (2) a mezőgazdasági biomassza (bizonytalan és csekély mértékű) denitrifikációja, (3) a biomassza égetése, (4) kérődző állatok tartása, (5) bizonyos ipari tevékenységek;

7.6. A klórfluorkarbon vegyületek (CFC-k)

– a sztratoszférikus ózonréteg lebontásával a földi élet számára a legnagyobb veszélyt jelentik

7.6.1. Jellemzőik

• Kizárólag mesterséges eredetű nyomgázok a légkörben.

• A CFC-vegyületek úgy keletkeznek, hogy a metán hidrogénatomjait klór és fluor helyettesíti különböző kombinációkban. Ha a hidrogénatomok helyére bróm is beépül, akkor keletkeznek a halonok.

• Sugárzási (fotokémiai) szempontból aktív.

• A vízgőzt és a szén-dioxidot követően a harmadik legfontosabb üvegházgáz.

A megnövekedett üvegházhatáshoz való hozzájárulása 25 %.

• Erős elnyelési sávjai vannak az infravörös sugárzási spektrumban, mely a légköri ablak (8-11 µm) része ⇒ módosítja a Föld-légkör rendszer energiamérlegét.

• A leggyakoribb CFC-gázok a CFC-11 (CFCl₃) és a CFC-12 (CF₂Cl₂).

• A CFC-gázok legnagyobb része kémiai szempontból inert

⇒ légköri tartózkodási idejük hosszú,

⇒ kölcsönhatásaik a bioszférával és a geoszférával + a felhőkkel és az aeroszolokkal figyelmen kívül hagyhatók.

• A CFC-knek az éghajlati rendszerre gyakorolt elsődleges hatásai:

(1) a közvetlen sugárzási kényszer a hosszúhullámú spektrumban,

(2) a nagy magasságokban felszabaduló klór által történő sztratoszférikus ózonlebontás.

7.6.2. Éghajlati/kémiai kölcsönhatásaik

• Üvegházhatás: A CFC-knek két olyan tulajdonságuk van, amelyek grammról grammra a leghatékonyabb üvegházgázokká teszik őket:

(1) nagyon erős elnyelési sávjaik vannak a (8; 14) µm közötti spektrális tartományban ⇒ a CFC-k 1 ppb-s térfogati aránya szignifikáns éghajlati következményekkel bírhat.

(2) mivel a CFC-k igen stabil gázok – az egyedüli ismert szignifikáns nyelőjük a sztratoszférában végbemenő fotodisszociációjuk – légköri tartózkodási idejük hosszú.

• A sztratoszférikus ózonlebontás: A dinitrogén-oxid és a CFC-k közötti párhuzam kiterjed sorsukra és az ózonra gyakorolt hatásukra is.

Mindkettőjüket főként a napsugárzásból származó ultraibolya fotodisszociáció bontja le a sztratoszférában. A CFC-k esetében a klór (Clx) alakban fölszabadul, amely kimarja az ózonréteget. Pl.:

CFCl3 + hv ⎯→ CFCl2 + Cl . (1)

Az ózon klór által történő katalízisekor a legfontosabb reakcióciklus a következő:

Cl + O3 ⎯→ ClO + O2

ClO + O ⎯→ Cl + O2 (2)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

O + O3 ⎯→ 2⋅O2

A sztratoszférában lejátszódó klórciklust jelenleg a CFC-kből felszabaduló klór uralja, bár a sztratoszférikus klórnak vannak természetes forrásai is [pl. a metil-klorid (CH3Cl), vulkánok, meteoritok)].

7.6.3. Koncentrációik és trendjeik

• A természetes szerves halogéngázok (CH₃Cl és CH₃Br) légköri tartózkodási ideje kb. 1-2 év, de az erősen fluorozott CFC-gázoké (pl. a CFC-115) több száz év is lehet. Az élettartamok a fluorozás mértékével arányosan növekednek. A hidrogéntartalmú CFC-k (HCFC-k) viszonylag rövid ideig tartózkodnak a légkörben (pl. HCFC-22: kb.15 év).

• 2000: a CFC-gázok és a velük kapcsolatos összetevők koncentrációjának növekedési üteme mérséklődik. Legnagyobb mértékben a CFC-113 mennyisége növekszik ⇒ magas éghajlatváltozási (üvegházhatás-) potenciállal rendelkezik, lévén légköri tartózkodási ideje igen hosszú.

A Montreali Protokoll (1988) és a Londoni Indítvány (1990):

(1) határidőket szab számos CFC-gáz használaton kívül helyezésére (2) szabályozza a többi – velük kapcsolatos – összetevő előállítását.

⇒Ha az összes nemzet teljesíti előírásait ⇒ érezhető következmény

⇒Ha egy nemzet sem teljesíti előírásait ⇒ a légköri CFC-koncentrációk növekedése az üvegházhatás legfontosabb tényezőjévé válhat.

• Alternatív CFC-k: 1990-es évek: megjelent a fluorozott összetevőknek egy olyan új családja, amely hidrogén-szén kötéseket tartalmaz – ezek a HCFC-k és a HFC-k

Jellemzőik:

(1) A klasszikus klórfluorkarbon vegyületek számos kívánatos termodinamikai tulajdonságával rendelkeznek.

(2) Kevesebb nem kívánatos fotokémiai mellékhatásuk van.

(3) A HCFC-gázoknak általában rövid a légköri tartózkodási idejük, mivel az OH-gyök eredményesen támadja azok C-H kötéseit:

CHF₂Cl + OH ⎯→ CF2Cl + H₂O (3) ahol a fluorkarbon töredék kémiai szempontból instabil.

(4) A HFC-gázok klóratomokat nem tartalmaznak, így a CFC-gázokkal és a HCFC-kkel ellentétben nem bontják le az ózont.

(5) E szerves halogén vegyületeknek (HCFC-k és HFC-k) globálisan sokkal kisebb a sugárzási és kémiai hatásuk, mint a CFC-knek. Ha e vegyületek használata világméretekben – de különösen a fejlődő országokban – elterjed ⇒ a jövőbeli CFC-koncentráció mérséklődni fog.

7.6.3.1. A CFC-gázok koncentrációi és trendjei

CFC-gázok

és halonok a gyakorlatban használt

nevük

térfogati arány,

pptv*

növekedési

ütem, % / év légköri tartózkodási

idő, év

CFCl3 CFC-11 280 4 65

CF2Cl2 CFC-12 484 4 130

CF3Cl CFC-13 5 400

C2F3Cl3 CFC-113 60 10 90

C2F4Cl2 CFC-114 15 200

C2F5Cl CFC-115 5 400

CCl4 szén-tetraklorid 146 1,5 50

CHF2Cl HCFC-22 122 7 15

CH3Cl metil-klorid 600 1,5

CH3CCl3 metil-kloroform 158 4 7

CF2ClBr halon-1211 1,7 12 25

CF3Br halon-1301 2,0 15 110

CH3Br metil-bromid ~10 1,5

*pptv (trilliárdod térfogatrész):

1 pptv=10^-3 ppbv (milliárdod térfogatrész)=10^-6 ppmv (milliomod térfogatrész)

7.6.4. Forrásai és nyelői

• Forrás:

természetes: (–) mesterséges:

CFC-gázok: (1) légkondicionáló berendezések, (2) hűtőszekrények, (3) aeroszolos spray-k, (4) habosított műanyag dobozok, (4) szigetelőanyagok;

Halonok: (1) tűzoltókészülékek;

Nyelő: (1) a sztratoszférában végbemenő fotodisszociációjuk;

7.7 Az egyéb üvegházgázok

– csekély mértékben módosítják a sugárzási energiamérleget

• Számos további közönséges légköri nyomgáznak [szén-monoxid (CO), kén- dioxid (SO₂), karbonil-szulfid (COS)] és szerves vegyületnek [pl. acetilén (C₂H₂), etilén (C₂H₄), etán (C₂H₆)] van infravörös elnyelési sávja, mely befolyásolhatja az energiamérleget.

• Koncentrációjuk csekély ⇒

(1) a globális fölmelegedéshez való közvetlen hozzájárulásuk jóval kisebb, mint a legfontosabb üvegházgázoké.

(2) Közvetetten hozzájárulhatnak a klímaváltozáshoz. Pl. a CO befolyásolja a metán légköri tartózkodási idejét, a COS pedig a sugárzást visszaverő sztratoszférikus aeroszolok mennyiségét (lásd: 3.4.1b. fejezet).

• A természetes és antropogén eredetű nem-metán szénhidrogének (NMHC-k) fény hatására történő lebomlása hidrogén-gyökök és ózon képződéséhez vezet, csakúgy mint a metán fotooxidációja:

CH₄ + OH + 9O₂ ⎯⎯→^NO CO₂ + ¹

2H₂ + 2H₂O + 5O₃ (1) [lásd: “Az ózon” fejezet, (13) egyenlet]

CH₃ + O₂ + M ⎯→ CH3O₂ + M

CH₃O₂ + NO ⎯→ CH3O + NO₂ (2) NO2 + hv ⎯→ NO + O

O +O₂ + M ⎯→ O3 + M [lásd: “A metán” fejezet, (3) egyenlet]

• A kapott különböző másodlagos összetevők, melyek – az ózonnal együtt – szerepet játszanak az éghajlatváltozásban, nagyon érzékenyek az NO_x mennyiségére.

• A kéntartalmú gázok – főként az SO₂, COS és a (CH₃)₂S (dimetil-szulfid) – aeroszolokat hoznak létre (lásd: “Az aeroszolok” fejezet), melyek éghajlati következményekkel járnak (az aeroszolok és a felhőzet sugárzás-módosító hatása).

7.8. A szén-monoxid (CO)

– zárt terekben feldúsulva veszélyes (halált okozó) nyomgáz

7.8.1. Jellemzői

• Színtelen, szagtalan, mérgező nyomgáz.

• Széntartalmú anyagok tökéletlen égésekor keletkezik.

• Légköri tartózkodási ideje kb. 100 nap. Emiatt koncentrációja térben és időben erősen változik. A talaj mikroorganizmusai távolítják el a légkörből.

• Magasabb hőmérsékleten vagy katalizátorok hatására szén-dioxiddá alakul.

7.8.2. Éghajlati/kémiai kölcsönhatásai

• A CO számos reakcióval kapcsolódik a metán és az ózon kémiájához. Pl.:

CH4 + OH ⎯→ CO + egyéb végtermékek CO + OH ⎯→ CO2 + H

H + O₂ + M ⎯→ HO2 + M (1) HO₂ + NO ⎯→ OH + NO2

NO2 + hv ⎯→ NO + O O + O₂ + M ⎯→ O3 + M Következmény:

(1) A CO reakcióba lép az OH-gyökkel, ezért csökkentheti az OH- koncentrációt, amely viszont befolyásolja számos egyéb gáz (pl. a kén- dioxid és a metán) légköri tartózkodási idejét.

(2) A CO és NO antropogén kibocsátásai is növelik a troposzférikus ózonkoncentrációt.

7.8.3. Trendjei

(1) Az északi félgömbön nagyobbak a CO-emissziók ⇒ itt a CO- koncentráció kétszerese a déli félgömbinek.

(2) A CO mennyiségének évi növekménye az északi félgömbön kb. 1 % évente.

7.8.4. Forrásai és nyelői

• Forrás:

természetes: (1) a metán (természetes és antropogén eredetű) oxidációja, az összes CO-kibocsátás 50 %-ával;

mesterséges:, (1) fosszilis tüzelőanyagok elégetése [ezen belül (1a) gépjármű

7.9. A nitrogén-oxidok (NO

)

– fontos üvegházgázok, emellett reakcióik módosítják a globális sugárzási mérleget

7.9.1. Jellemzői:

• Az NOy-ok (NOy = NOx + HNO3 + az összes többi nitrogént tartalmazó sav és nitrát) nem kapcsolódnak szignifikánsan a sugárzási úton fellépő üvegházhatás közvetlen kényszeréhez.

• Fontos szerepet játszanak a többi üvegházgáz levegőkémiájában.

(1) A sztratoszférikus ózonra gyakorolt hatásuk:

az „A szén-dioxid”, „A dinitrogén-oxid” és „Az ózon” fejezetekben;

(2) A troposzférikus ózonra gyakorolt hatásuk:

az „Az ózon” és „A metán” fejezetekben (+ jelen fejezetben) találhatók.

7.9.2. Reakciói

• Némely földrajzi régióban a nitrogén-oxidok is számottevően hozzájárulnak a csapadék savasságához. Az NOx-ek a következő reakciósorozat révén kerülnek ki a troposzférából:

NO + O3 ⎯→ NO2 + O2

NO₂ + OH + M ⎯→ HNO3 + M

NO₂ + O₃ ⎯→ NO3 + O₂ (1) NO2 + NO3 + M ⎯→ N2O5 + M

N2O5 + H2O ⎯^felhõ⎯⎯→2⋅HNO3

E reakciósorozatban az NO-kibocsátásokból fotokémiai úton HNO₃ képződik, amit már a csapadék könnyen kimos a légkörből. Az NOx-ek kimosódási ütemét az OH- és ózonkoncentrációk szabályozzák; és viszont:

az NOx-ek légköri tartózkodási idejének bármely változása az ózon kémiájának a függvénye.

7.9.3. Forrásai és nyelői

• Forrás:

természetes:

sztratoszféra: (1) az N2O fény hatására történő elbomlása az NOx-ek (NOx = NO + NO2 + néha NO3 és a többi nitrogén-oxid) és az NOy-ok (NO_y = NO_x + HNO₃ + az összes többi nitrogént tartalmazó sav és nitrát) legfőbb forrása;

troposzféra: (1) villámlás, (2) egyéb elektromos kisülések, (3) savas talajtípusokban végbemenő denitrifikáció;

mesterséges: (1) gépjárművek (belső égésű motorok), (2) erőművek, (3) magas hőmérsékleten végbemenő ipari folyamatok; (4) fosszilis tüzelőanyagok elégetése, (5) a biomassza égetése, (6) szemétlerakó rendszerek;

Nyelő: (1) légkör;

7.10. Az aeroszolok

– összetett szerepet játszanak a globális sugárzási mérleg alakításában

7.10.1. Definíciója

A levegő (vagy bármely más gáz fázisú közeg) és a benne lebegő kis méretű (10^-3 – 10 µm) szilárd vagy cseppfolyós halmazállapotú részecskék rendszere.

7.10.2. Jellemzői

Troposzférikus aeroszolok

• A légköri tartózkodási idejük rövid (pár nap – néhány hét) és rendkívül nagy a térbeli változékonyságuk ⇒ globális becsléseik bizonytalanok.

Szratoszférikus aeroszolok

• Jobban ismertek, mint a troposzférában lévők, mert

(1) A részecskéknek ott nagyobb a homogenitásuk az összetétel, térbeli eloszlás és időbeli változékonyság terén.

(2) Csak a globális sztratoszférikus aeroszol mennyiségének – műholdakra telepített műszerekkel történő – megfigyelésére létezik tudományos program, 1979 óta.

7.10.3. Osztályozása

– keletkezésük helye szerint

(1) Elsődleges aeroszolok – kívülről kerülnek be a légkörbe.

(2) Másodlagos aeroszolok – a légkörben keletkeznek kémiai és mikrofizikai folyamatok hatására.

A felhőket alkotó részecskék (felhőcseppek, jégkristályok, hidrometeorok) nem tekinthetők aeroszoloknak.

– méretük szerint

(1) Nagy méretű aeroszolok: 1 µm < raeroszol < 10 µm Mi történik velük? – (1a) gyorsan kihullanak a légkörből, (1b) felhőelemekké válnak,

(1c) a csapadék mossa ki őket.

(2) Növekedési fázisú aeroszolok: 0,1 µm < raeroszol < 1 µm

Esési sebességük kicsi, de a csapadék hatékonyan mossa ki őket.

Némely aeroszol oldódó komponenseket (szulfátokat, nitrátokat) tartalmaz ⇒ ezek kondenzációs maggá válhatnak .

(3) Magképződési fázisú aeroszolok: raeroszol < 0,1 µm

Vízgőzből keletkező részecskéket is tartalmaz. Ezek a finom részecskék a koaguláció során általában eltűnnek.

• A sugárzási energiamérleg szempontjából az akkumulációs fázisú részecskék a legfontosabbak, mivel nagy a fajlagos extinkciós (sugárzásgyengítési) együtthatójuk (azaz nagy egységnyi keresztmetszetű és egységnyi tömegű levegőn áthaladó sugárzás teljes szórása és abszorpciója).

7.10.3.1. Elsődleges aeroszolok

• Természetes és antropogén folyamatok révén közvetlenül kerülnek a légkörbe. Egyre növekvő hatást fejtenek ki a lokális és regionális energiamérlegekre.

• A legegyszerűbb elsődleges aeroszolok a troposzférában a következők:

7 . 1 0 . 3 . 1 . 1 . A f ö l d f e l s z í n ről s z á r m a z ó p o r: Származási helye:

(1a) Az arid térségeken keresztülfújó szelek. A leghevesebb porviharok – nappal is folyamatos esti szürkületet előidézve – Földünk legnagyobb sivatagjaihoz kapcsolódnak (pl. a szaharai porviharok, melyek által szállított por egészen a karibi régióig is eljuthat).

(1b) A száraz felszíneken haladó járművek.