Környezeti kémia. Az atmoszféra szerkezete. A troposzféra összetétele. A Föld troposzférája:

Átírás

1 Környezeti kémia 3. Előadás Az atmoszféra kémiája 1 Atmoszféra Az atmoszféra vagy légkör a Földet körülvevő gázburok. Az atmoszféra a Földhöz rendelhető anyag tömegének kevesebb, mint 0,0001 %-át (5, kg) teszi ki. Legfontosabb funkciói a következők: Föld hőmérsékletének szabályozója, Széndioxidforrás a fotoszintézishez, Oxigénforrás az élő szervezetek energiatermeléséhez (a légzéshez), Nitrogénforrás (a N 2 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. 2 Az atmoszféra szerkezete Az ős- és a jelenkori légkör összetétele MAI LÉGKÖR CO 2 H 2 O kis mennyiségben: N 2 NH 3 H 2 S CO 2 (0,04%) N 2 (78,09%) O 2 (20,95%) Ar (0,93%) CH 4 O 2 nem volt jelen 3 4 A Föld troposzférája: km rétegvastagságú a földi élet színtere az időjárási jelenségek nagy részének színtere alkotó gázok: N 2, O 2, H 2 O, CO 2, Ar hőmérséklet fokozatosan csökken csökkenés mértéke: átlag 0,65 C / 100 m felső határán kb.-56 C nyomás csökken felső határa: tropopauza 5 Gáz A troposzféra összetétele tf% Fő összetevő Nyomgáz Állandó Változó Erősen változó A teljes mennyiség (Mt) Tartózkodási idő a troposzférában (év) N 2 78, ,9* O 2 20, ,2* Ar 0, ,7*10 7 Ne 1,818* ,6*10 4 He 5,24* ,7*10 3 Kr 1,14* ,6*10 4 CO 2 0, ,8* CH 4 2* ,6* H 2 5* ,7*10 2 N 2 O 2,5* ,4* O 3 0-5* ,4*10 2 0,0005 0,1 H 2 O ,3*10 7 0,03 CO 0-2* ,6*10 2 0,2 NO 2 0-3* ,6*10 2 0,002 NH 3 0-2* ,8*10 1 0,01 0,1 SO 2 0-2* ,3*10 1 0,01 6 1

2 A sztratoszféra: a Föld felszíne feletti km közötti távolságban van az ózonréteg itt található - a felszín feletti km-es rétegben helyezkedik el - elnyeli az élőlényekre veszélyes röntgen- és ultraibolya sugarakat (λ < 310 nm) - vastagsága 300 Dobson (DU), ami 3 mm-nek felel meg (1 DU = a Föld felszínén 0,01 mm vastag ózonréteg) gázok: N 2, O 2, O 3 hőmérséklet emelkedik - a sztatopauzánál eléri a földfelszíni értéket a nyomás tovább csökken felső határa: sztratopauza A mezoszféra: a Föld felszíne feletti km közötti távolságban található gázok: N 2, O 2, O 2+, NO + (ionizált gázrészecskék) hőmérséklet ismét csökken egészen -93 C-ig (a légkör leghidegebb rétege) a nyomás még tovább csökken (80 km-es magasságban kb. 1 Pa) felső határánál: mezopauza 7 8 A termoszféra: a Föld felszíne feletti km között van gázok: N 2, O 2, O +, O, O 2+, NO +, e - hőmérséklet növekszik >1 000 C (elérheti akár a C-ot is) a naptevékenység erősen befolyásolja Ionoszférának is nevezik, mert itt a gázokat a Nap sugárzása erősen ionizálja, emiatt egyes rétegei elektromosan vezetővé válnak, így képesek visszaverni az elektromágneses hullámokat, aminek a távközlésben van nagy szerepe. a nyomáscsökkenés tovább folytatódik ebben a rétegben keletkezik a Sarki fény és itt kering a Nemzetközi Űrállomás is. Az exoszféra: a Föld felszíne feletti km réteg neve hőmérséklete átlagosan ºC körüli. Itt még előfordul atomos formában az O és a N, de alsó részében már a He, felette pedig az atomos állapotú hidrogén az uralkodó gáz anyagai fokozatosan átmennek a bolygóközi tér ritka anyagába elektromágneses jelenségek jellemzik ezt a réteget is 9 10 A magnetoszféra: A CO 2 koncentráció növekedése > 2000 km A magnetoszféra megvédi a Föld felszínét a napszél töltött részecskéitől A Nappal szembeni oldalon összenyomódik az érkező részecskék hatására, a túloldalon pedig elnyúlik 12 2

3 A napsugárzás spektrális eloszlása A különbözőfelszíni elemek albedója A Nap sugárzási teljesítménye 3, J/s. A Földre jutó napsugárzás energiasűrűsége (a napállandó) S 0 =1370±8 J/sm 2. A Földet közel állandó értékű sugárzási energia éri, 5, J/év A földfelület-atmoszféra rendszer energiaháztartása (az energiaáram kj/év egységekben) A földre jutó és kisugárzott fényenergiák hullámhossz függése 15 A nap sugárzási maximuma 0,5 µm-nél van. 16 Energiaáramok és felhasználások Energiaáram és felhasználás Energiaára (10 20 kj/év) A Nap által kisugárzott energia a világmindenségbe 1, A Föld által befogott energiaáram 54,4 A Föld klímáját és bioszféráját lényegesen befolyásolja 38,1 A vizek elpárologtatására jutó rész 12,5 Szélenergia 0,109 A fotoszintézis által elhasznált 0,084 A Föld belsejébıl sugárzó energiaáram 0,010 Az emberiség energiafelhasználása 0,0037 A fosszilis tüzelıanyagokból nyert energia 0,00297 Az árapályok és tengeráramlások energiaárama 0,0013 Az emberiség által elfogyasztott élelmiszerek 0,00019 energiatartama 17 A föld kisugárzott energia spektruma Szaggatott vonal az elméleti érték üvegházhatású gázok nélkül. Folyamatos vonal a reális energia eloszlás 18 3

4 Üvegházhatású gázok az atmoszférában A fotokémiai folyamatok alapelvei Az üvegházhatású gázok közül a szén-dioxid a legkevésbé aktív vegyület. Nála kb. 20-szer hatékonyabb a metán, 200-szor a dinitrogén-oxid, a freonok pedig szer aktívabbak a sugárzási energia elnyelésében. Ennek ellenére viszonylag magas légköri koncentrációja miatt a CO 2 hozzájárulása a legnagyobb a melegedési folyamatokhoz. A fotokémia a kémiai tudomány fény hatására lejátszódó kémiai folyamatokkal, illetve a kémiai folyamatokat kísérő nem termikus gerjesztésű fényjelenségekkel foglalkozó területe. Fotokémiai folyamatok: azok a reakciók, amelyekben az átalakuláshoz szükséges energiát a látható vagy az UV-tartományba eső elektromágneses sugárás formájában közöljük a rendszerrel Feltételei: 1. A molekula képes legyen elnyelni az adott hullám-hosszúságú fényt 2. A foton energiája nagyobb legyen, mint a felszakadó kötés kötési energiája A fotokémia alaptörvényei A fénysugárzás spektruma E = hv = hc / λ h a Planck-állandó (h = 6,626 * J s) λ a hullámhossz (nm) Lambert-Beer-törvény E = lg (I 0 /I) = ε λ cl (I 0 /I) a beeső és az áthaladó fény intenzitásának hányadosa c az abszorbeáló anyag koncentrációja (mol/dm 3 ) l az optikai úthossz (cm) ε λ moláris lineáris abszorbancia koefficiens λ hullámhosszon A légkör fényelnyelése különböző magasságokban Az ózon mennyiségének változása a magassággal Az ózon maximum magassága egyenlítőnél 25 km, sarkoknál 18 km. 23 A földfelszín közelében kissé megemelkedhet az ózon mennyisége a szennyezések miatt. 24 4

5 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. 25 Az ózon bomlásának okai 90-es évek 26 Az ózon minimum értékeinek évenkénti változása az Antarktisz fölött Ózon réteg hónapos változása az Antarktisz fölött Ózonlyuk kiterjedése Az északi féltekén is van ózonlyuk Dobson egység: 0,01 mm vastag O 3 29 Nyári térkép 30 5

6 A meghozott intézkedések lassú javulást okoznak Uralkodó szelek a szennyezéseket a sarkok felé sodorják 31 A magas légköri levegő szennyezések nőnek a sarkok fölött. 32 Az ózonciklus A Chapman-mechanizmus lépései Reakció típusa sebessége 1 O 2 + hv O + O fotokémiai lassú 2 O + O 2 + M O 3 +M ütközéses gyors 3 O 3 + hv O + O 2 fotokémiai gyors 4 O + O 3 O 2 + O 2 ütközéses lassú Alapja, hogy a nagyenergiájú napsugarak hatására a sztratoszférában lévő oxigénmolekulák egy kis hányada disszociál, és így két oxigén-atom keletkezik (1). Az oxigén-atom ezek után hozzákapcsolódik a nagy mennyiségben jelen lévő O 2 -molekulák egyikéhez, és így kialakul egy ózonmolekula (2). A napsugárzás azonban az ózont is képes elbontani, így az visszaalakulhat O-atommá és O 2 -molekulává (3). Ezen kívül, ha már jelen van ózon, akkor az O-atomok ezzel is képesek reagálni, és így két O 2- molekula képződik (4). 33 6