Az atmoszféra funkciói

Átírás

1 Az atmoszféra funkciói a Föld hőmérsékletének szabályozója, széndioxidforrás a fotoszintézishez, oxigénforrrás az élő szervezetek energiatermeléséhez (a légzéshez), nitrogénforrás (a N 2 természetes és mesterséges átalakítása révén), a vízkörforgás közvetítő közege, a földi élet védelmezője : - a kozmikus sugárzás elnyelője, - a Nap nemkívánatos sugárzásának elnyelője, - a Nap hasznos sugárzásának átengedője.

2 Az atmoszféra összetétele

3 Az atmoszféra szerkezete p h = p e 0 Mgh RT ahol p h és p 0 a h magasságban ill. a tengerszinten mérhető nyomás, M a levegő átlagos relatív molekulatömege, g a nehézségi gyorsulás, T a hőmérséklet és R az egyetemes gázállandó.

4

5 Az atmoszféra por- és aeroszoltartalmának részecskenagyság szerinti osztályozása, és forgalma az atmoszférában

6 A napsugárzás spektrális eloszlása A Nap sugárzási teljesítménye 3, J/s. A Földre jutó napsugárzás energiasűrűsége (a napállandó) S0=1370±8 J/sm2. A Földet közel állandó értékű sugárzási energia éri, 5, J/év.

7 A földfelület-atmoszféra rendszer energiaháztartása (az energiaáram 1020 kj/év egységekben) Fotoszintézis Felhők által reflektáltt 14.1 Felhők által abszorbeált 13 Összes reflektált 16.3 CO 2 Szél 0.11 A levegő melegítése Párolgás 12.5 Hold 2.2 Ár-apály Emberi energiahasználat 0.003(fosszilis) Növényi a. elégetése <0.01% Felszín által abszorbeált 25.1 Geotermális energia 0.01 Óceánok termális energiája 0.12 Elméleti vízienergia 0.002

8 A különböző felszíni elemek albedója Beeső napfény Visszavert vagy szórt fény felhő hó Erdő Óceán sivatag Szántóföld Globális átlagos albedó: kb. 30%

9 Energiaáramok és felhasználások

10 Fotofizikai, fotokémiai alapok,1 A fény elemi egységeinek a fotonoknak az energiája megadható a c E = h ν = h λ képlettel(ahol E a foton, mint részecske energiája, ν és λ a foton, mint sugárzás frekvenciája ill. hullámhosszúsága, h a Planck-féle állandó és c a fény terjedési sebessége)

11 Fotofizikai, fotokémiai alapok,2 A fénysugárzás spektruma

12 Az atmoszférához kapcsolható környezeti problémák Globális felmelegedés A sztatoszféra ózonkoncentrációjának csökkenése Füstköd (szmog) képződés Savas esők

13 Globális felmelegedés A bejövő napsugárzás és a kimenő földsugárzás hullámhossz szerinti eloszlása

14 A Föld energiaháztartásának megfelelően a napsugárzás (F) energiaáramának az albedó (a) által csökkentett mennyiségének meg kell egyeznie a Stefan-Boltzmann törvény által kiszámítható kisugárzásával az alábbiak szerint π R s Te = F(1 a) π R ahol R a föld főkörének sugara, s a Stefan- Boltzmann állandó, és T e a sugárzó fekete test, jelen esetben a Föld egyensúlyi hőmérséklete. (T e =256 K (-17 o C) Ezzel szemben a földfelszín átlaghőmérséklete 288 K (+17 o C) Mi az oka??

15 A földfelszínt elhagyó, mért sugárzás intenzitása (folytonos vonal) és az üvegházhatású gázok jelenléte nélkül várható intenzitás (szaggatott vonal). Intenzitás Hullámhosszúság (μm)

16 Üvegházhatású gázok az atmoszférában Hozzájárulás az üvegházhatáshoz Antropogén hozzájárulás Vízgőz CO2 NOx CH4 freonok O3 CO2 NOx CH4 freonok O3 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 CO2 hozzájárulása a legnagyobb a melegedési folyamatokhoz.

17 A légköri CO2 koncentrációjának változása az elmúlt 200 évben CO 2 koncentráció/ ppm

18

19 A földfelszín átlagos hőmérsékleti anomáliája az elmúlt 150 ezer évben, és a következő 100 évben

20 Nemzetközi egyezmények Az üvegházhatású gázok kibocsátásának szabályozására vonatkozóan a legjelentősebb nemzetközi megállapodás a kiotói egyezmény, ami 1997-ben született meg. Célja az volt hogy a fejlett ipari országok csökkentsék az atmoszférába bocsátott üvegházhatást okozó anyagok mennyiségét. Az jegyzőkönyvet ratifikáló országoknak 2012-ig együttesen 5,2%-kal kell(ett volna) csökkentenie a légkörbe bocsátott gázok mennyiségét az 1990-es állapothoz képest. Az egyezmény életbelépéséhez az kellett, hogy 55 olyan ország ratifikálja az egyezményt, amely együttesen a károsanyag-kibocsátás több mint 55%-ért felelős (1990-es bázisévhez viszonyítva). Az Amerikai Egyesült Államok 2001-ben kilépett az egyezményből, így az csak 2005-ben lépett életbe, miután Oroszország ratifikálta az egyezményt.

21 Széndioxid források az iparban

22 Globális felmelegedés hatásai Klimaváltozások Tengerszintemelkedés Sivatagosodás

23 A sztatoszféra ózonkoncentrációjának intenzitás csökkenése Az atmoszféra tetején A napsugárzás spektrális megoszlása az atmoszféra tetején és a föld felszínén Az atmoszféra alján hullámhosszúság

24 A légkör fényelnyelése különböző magasságokban

25 Ózonképződés a sztratoszférában (Chapman mechanizmus) Képződés: Képződés Gyors egymásba alakulás O 2 + hν O +O O 2 + O +M O 3 + M Bomlás: Bomlás Bomlás O 3 + hν O 2 +O O 3 + O 2 O 3 + hő O + O O 2 + hő

26 Ózont fogyasztó egyéb (természetes) reakciók O 3 + NO NO 2 + O 2 NO 2 + O NO + O 2 O + O 3 2 O 2 egy Dobson egység (DU) megegyezik a 0,01 mm vastagságú, standard állapotú (0 o Chőmérsékletű atmoszférikus nyomású) ózonréteg fényenyelő képességével. A felettünk lévő ózonréteg sokéves átlagértéke mintegy 300 DU vastagságú, azaz a földfelszínen mindössze 3 mm-es réteget alkotna. A földrajzi szélességtől függően változik átlagkoncentrációja: a trópusok fölött dobson, a 60. szélesség magasságában dobson.

27 ν h Az emberi tevékenység hatására a sztratoszférába kerülő ózonfogyasztó anyagok A klóratom egyéb reakciói

28 A sztratoszféra átlagos ózonkoncentrációjának várható változása

29 A Montreáli egyezmény és kiegészítésinek becsült hatása a sztratoszférikus klórkoncentrációra a bekövetkező bőrrákos

30 Az Antarktisz feletti ózonkoncentráció szezonális változása Aug. 25 Nyomás (mb) Okt. 16 Magasság (km) Ózon parciális nyomás (no)

31 Az Antarktisz feletti ózonlyuk okai A déli féltekén zárt légörvény (polar vortex) Ózonbontó anyagok koncentrálódása (sarki sztratoszferikus felhő kialakulása) HCl + ClONO 2 Cl 2 + HNO 3 H 2 O + ClONO 2 HOCl + HNO 3 majd tavasszal kiszabadulás Cl 2 + hν Cl + Cl HOCl + hν HO + Cl

32 SZMOGKÉPZŐDÉS Öszvér: Smoke+ fog házassága, azaz füstköd Fajtái a, redukáló (vagy londoni) b, fotokémiai (losangelesi)

33 Los Angeles

34 London Smog 1952

35 London Smog 1952

36

37 SZMOGKÉPZŐDÉS Feltételei 1, hőmérsékletinverzió

38

39

40 SZMOGKÉPZŐDÉS Feltételei: 2, NOx + napsütés

41 SZMOGKÉPZŐDÉS Feltételei: 3, szénhidrogén kibocsátás

42

43 Peroxi-acetil-nitrát (PAN) képződés

44 Savas esők (+redukáló -londoni típusú- szmog)

45 CO 2 (aq) + H 2 O H 2 CO 3 (aq) A hidratált szén-dioxid és a szénsav átalakulásának egyensúlyi állandója K=2, C-on, H 2 CO 3 (aq) H+(a) + HCO 3 (aq) egyensúlyi állandója: K= 4, , pk 1 =6,35 HCO 3 (aq) A szén-dioxid oldódása vízben K = 4, , pk 2 =10,33 H+(a) + CO 3 2 (aq)

46 A szén-dioxid oldódása vízben Az egyes formák mólarányát adott körülmények között kiszámíthatjuk, pl. α CO 2 = [ CO3 ] K1K 2 = [ CO [ ] 2 ] + [ HCO3 ] + [ CO3 ] H + K1[ H ] + K K α i 1 2

47 Az esővíz elméleti ph-ja

48 A kéndioxid oxidációja

49 A savas eső kialakulásának, kihullásának és következményeinek sematikus ábrája

50 A kénkibocsátás változása az elmúlt húsz évben (millió tonna/év egységekben

51

52 A hidroszféra ra kémik miája A víz v z tulajdonságai Kémiai és s fizikai vízminv zminősítés Fizikai és s kémiai k egyensúlyok vizekben gázok oldhatósága vízbenv csapadékk kképződési egyensúlyok megoszlás s folyadékf kfázisok közöttk sav-bázis egyensúlyok vízbenv redoxi egyensúlyok komplexképz pződés kolloidok Biológiai folyamatok

53 A víz v z tulajdonságai Tulajdonság Kiváló oldószer Más folyadékoknál nagyobb dielektromos állandó Más folyadékoknál nagyobb felületi feszültség Jó fényáteresztó képesség (látható és közeli UV tartományban) Sűrűségmaximum +4 C-on Más anyagoknál nagyobb párolgáshő Más anyagoknál nagyobb fagyáshő Más anyagoknál nagyobb hőkapacitás Hatás és eredmény Tápanyagok és bomlástermékek transzportja, a biológiai lét biztosítása Ionos anyagok jó oldhatósága és disszociációja Anyagtranszport és szabályozás a biológiai rendszerekben Színtelen, lehetővé tesz a fotoszintézist Jégúszás és a folyadék vertikális cirkulációjának gátlása Hőtranszport a víz és az atmoszféra között Hőmérsékletstabilizálás a fagyáspont környékén Földrajzi régiók és organizmusok hőmérsékletének stabilizáslása

54 Nagy felületi feszültség

55 Fényelnyelődés s vízbenv A mélységgel exponenciálisan csökken a mennyisége. Minél nagyobb a fény energiatartalma, annál mélyebbre hatol a vízbe, először a legkisebb energiájú, legnagyobb hullámhosszúságú vörös fény nyelődik el. Legmélyebbre a legrövidebb hullámhosszú ibolya színű sugarak jutnak.

56 A víz v z tulajdonságai Tulajdonság Kiváló oldószer Más folyadékoknál nagyobb dielektromos állandó Más folyadékoknál nagyobb felületi feszültség Jó fényáteresztó képesség (látható és közeli UV tartományban) Sűrűségmaximum +4 C-on Más anyagoknál nagyobb párolgáshő Más anyagoknál nagyobb fagyáshő Más anyagoknál nagyobb hőkapacitás Hatás és eredmény Tápanyagok és bomlástermékek transzportja, a biológiai lét biztosítása Ionos anyagok jó oldhatósága és disszociációja Anyagtranszport és szabályozás a biológiai rendszerekben Színtelen, lehetővé tesz a fotoszintézist Jégúszás és a folyadék vertikális cirkulációjának gátlása Hőtranszport a víz és az atmoszféra között Hőmérsékletstabilizálás a fagyáspont környékén Földrajzi régiók és organizmusok hőmérsékletének stabilizáslása Jó fényáteresztő képesség

57 Hőmérsékletgradiens és rétegződés a felszíni vizekben

58 Hőmérsékletgradiens a felszíni vizekben A víz sűsűrégének maximuma: +3,98 C Ősszel, tavasszal: cirkuláció az egyes rétegek között: oldott gázok transzportja, keveredése

59 Kémiai és s fizikai vízminősítés A víz v z tulajdonságainak összessége, amelyet - fizikai (T, szín, zavarosság, átlátszóság) - radioaktivitási (β-aktivit( aktivitás, 133 Cs, 90 Sr) - kémiai (ph, oldott oxigén, oldott anyagok, szennyezőanyagok) - biológiai (klorofilltartalom( klorofilltartalom,algaszám, baktériumsz riumszám) m) paraméterek összessége határoz meg.

60 1. ph tiszta természetes vizek: ph = 4,5-8,3 ph=4,5 szabad szerves savak miatt ph>8,3 karbonátos alkotórészek esővíz: ph=5,65 2. Sótartalom S (mg/l) (kifejezhető vezetőképességben is: μsi/cm) kationok: Ca 2+, Mg 2+,Na +, K +, anionok: HCO 3-, SO -2 4, Cl --. A természetes vizekben a vas (Fe) és a mangán (Mn) általában kisebb koncentrációban, az egyéb fémionok nyomokban fordulnak elő.

61 3. VízkemV zkeménység A vízben v lévől kalcium és s magnézium mennyiséget a keménys nységgel fejezi ki. német keménys nységi fok (NK( o ) A NK o = 10 mg CaO-dal egyenért rtékű Ca 2+ illetve Mg 2+ mennyisége, 1 dm 3 vízben. Az összes keménys nység a vízben v oldott Ca és s Mg sók s összege, a változó (karbonát) keménys nység a Ca és s Mg hidrokarbonátjai összessége, az állandó (nem karbonát) keménys nység g a

62 4. Oldott g 4. Oldott gázok zok: oldott oxigén és szén-dioxid: f(t, összetétel, napszak)

63 5. Szerves anyagok Biológiai oxigénig nigény ny (BOI) aerob mikroorganizmusok által felhasznált oxigénmennyiség 5 vagy 20 nap alatt (BOI 5, BOI 20 ) Kémiai oxidénig nigényny (KOI) a vízminta erélyes oxidálószerrel történő - kálium-permanganát (KMnO4) - kálium-dikromát (K 2 Cr 2 O 7 ) kénsavas forralása: színváltozás A kettő hányadosa: információ a kémiai anyagok viselkedéséről

64 Gázok oldhatósága vízbenv Természetes vizekben: oldott oxigén, szén-dioxid, nitrogén egyensúlyi folyamat: G(g) G(aq) Henry-törvény: c G = K p G csak akkor, ha az oldott gáz nem lép további reakcióba! Gáz K [mol dm 3 atm 1 ] O 2 1, CO 2 3, H 2 7, N 2 6, CH 4 1, NO 2, Henry-álland llandók k 25 C-on

65 Csapadékk kképződési egyensúlyok Al(OH) 3(s) Al 3+ (aq aq) + 3OH (aq az oldhatósági szorzat: K L = [Al 3+ ][ OH ] 3 ahol [Al 3+ ] és s [ OH ] az ionok moláris koncentráci ciója. Vegyület pk L Al(OH) 3 32,7 CaCO 3 8,0 CaSO 4 4,32 Fe(OH) 2 13,5 Fe(OH) 3 37,4 MgCO 3 3,7 PbSO 4 8,0 CaHPO 4 6,7 aq) Szilárd anyagok oldhatósági szorzatának negatív logaritmusa (pk L = lgk L ) vízben, 25 C-on

66 Megoszlás s folyadékf kfázisok Két egymással nem elegyedő folyadékfázis között adott anyag koncentrációjának aránya Nernst-féle megoszlási törvény: K 12 = c c 2 hidrofil vagy lipofil jelleg 1 között

67 Bioakkumuláci ció vegyületek biológiai rendszerekben való felhalmozódása

68 Sav-bázis egyensúlyok 1. A víz v autoprotolízise 2 H 2 O H 3 O + (aq) + OH (aq) K = [ H ] [ OH [ H ] + 2 O ] K v = [H + ] [OH ]=10-14 pk v =-lg K v =14 ph=-lg [H + ]=7

69 Sav-bázis egyensúlyok 2. Savak és s bázisok b protolízise HS + H 2 O H 3 O + + S [ H + ] [ S B + H 2 O BH + + OH K s = [ HS] Néhány vegyület saverősségének negatív logaritmusa (pk S = lgk S ) vízben, 25 C-on. Sav pk S HCl 3 nagyon erős H 2 SO 4 3 SO 2 1,76 erős HSO 4 1,80 HCOOH 3,70 CH 3 COOH 4,75 gyenge + NH 4 9,25 C 6 H 5 OH 9,91 nagyon gyenge NH 3 35 extrém gyenge ]

70 CO 2 (aq) + H 2 O H 2 CO 3 (aq) A hidratált szén-dioxid és a szénsav átalakulásának egyensúlyi állandója K=2, C-on, H 2 CO 3 (aq) H+(a) + HCO 3 (aq) egyensúlyi állandója: K= 4, , pk 1 =6,35 HCO 3 (aq) A szén-dioxid oldódása vízben K = 4, , pk 2 =10,33 H+(a) + CO 3 2 (aq)

71 A szén-dioxid oldódása vízben Az egyes formák mólarányát adott körülmények között kiszámíthatjuk, pl. α CO 2 = [ CO3 ] K1K 2 = [ CO [ ] 2 ] + [ HCO3 ] + [ CO3 ] H + K1[ H ] + K K α i 1 2

72 Sav-bázis egyensúlyok 3. Hidrolízis 1. Gyenge bázisok erős savakkal képzett sói: NH 4 Cl + H 2 O NH 4 OH + Cl + H + savas! 2. Gyenge savak erős bázisokkal képzett sói: KCN + H 2 O K + + HCN + OH Bányavizek savas kémhatása Pezsgőtabletta pezsgése lúgos!

73 Redoxiegyensúlyok A redoxifolyamatok lényege, hogy a redukálószer elektront ad át az oxidálószernek. Egyszerű redoxifolyamatban, mint a 2H + (aq) + 2 e = H 2 (g) a H+ elektront vesz fel, vagyis redukálódik. Megállapodás szerint ennek a reakciónak a standard redoxipotenciálja (25 C-on, légköri nyomáson) éppen 0, a többi reakció redoxipotenciálját ehhez viszonyítjuk. A Nernst-egyenlet alapján egy tetszőleges reakció redoxipotenciálja kiszámítható: E = E 0 + 2,303RT nf ahol E0 a reakció standard redoxipotenciálja, R az egyetemes gázállandó, T a hőmrséklet, n az átadott elektronok száma, F pedig a Faraday-állandó, (F= C mol 1), a red a redukálószer, az ox az oxidálószer aktivitása. lg a a red ox

74 Hidratált fémionok a hidroszférában Például a hidratált Fe(III)-ion viszonylag erős sav: Fe(H 2 O) H 2 O = Fe(H 2 O) 5 OH 2+ + H 3 O +, ahol pk1 = 3,05. A fémionok savas jellege okozza a bányavizek savas kémhatását is. Mikroorganizmusok a kőzetekben jelenlévő piritet (FeS) oxigén és víz jelenlétében Fe 3+ -má és szulfátionokká oxidálják, a Fe 3+ savasan hidrolizál, ph>3 esetén pedig kiválik a Fe-hidroxid. Fe H 2 O= Fe(OH) 3(s) + 3 H + A bányavizek legkárosabb komponense az így képződő kénsav, amely mérgező hatásán kívül jelentős mértékben károsítja a mészkősziklákat is.

75 A ph-hoz hasonlóan bevezethetünk egy elméleti redoxiintenzitást, pe-t, ahol pe= lg a e, az elektronaktivitás negatív logaritmusa, az egyensúlyi állandó pedig: ared K = aeaox Így a Nernst-egyenlet a következő formába írható: pe = pe 0 + a lg a ahol pe 0 =E 0 /0,0591, 25 C-on. 1 n red ox

76

77 Vas(II) oxidációja

78 A vas egyszerűsített ph-pe diagramja vízben

79 Komplex egyensúlyok

80 Ólom karbonát oldódása citromsav, mint komplexképző hatására

81 KOMPLEXKÉPZŐSZEREK Nitrilo-triacetát, mint kelátképző Tetrametafoszforsav Trifoszforsav és komplexe

82 Fogalmak a vizek öntisztulásával kapcsolatban

83

84

85

86

87 A talaj szerkezete hajszálgyökerek Talajrészecskéken adszorbeált víz talajszemcse talajlevegő talajban megkötött víz talajvíz

88 A talaj felépítése növényzet felső talaj altalaj mállott alapkőzet alsó kőzetréteg

89 Agyagásványok kaolinit csillám pirofillit vermikulit montmorillonit klorit

90 Agyagásványok réteges szerkezete Agyagásvány-OH + M + Agyagásvány-OM + H +

91 Huminsav feltételezett szerkezete R-COOH + M + R-COOM + H +