A Balaton és a légkör közötti nitrogénforgalom meghatározása

Átírás

1 A Balaton és a légkör közötti nitrogénforgalom meghatározása A doktori értekezés tézisei Kugler Szilvia Katalin Földtudományi Doktori Iskola Iskolavezető: dr. Nemes-Nagy József egyetemi tanár Földrajz-meteorológia program Programvezető: dr. Szabó Mária egyetemi tanár Témavezetők: Dr. Weidinger Tamás egyetemi docens földrajztudomány (meteorológia) kandidátusa Dr. Horváth László c. egyetemi tanár MTA doktora (meteorológia) Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Földrajz és Földtudományi Intézet Meteorológiai Tanszék Budapest, 2014.

2 Bevezetés Az állóvizek tápanyag-terhelése alapvetően a különböző vízfolyásokból és a légköri terhelésből származik. A tápanyagok feldúsulása eutrofizációs folyamatokhoz vezet. Az eutrofikus szó jelentése tápanyaggal jól ellátott, vagyis az eutrofizáció annyit jelent, hogy a víztestek a tápanyagok természetes vagy mesterséges forrásaiból többlet bevételhez jutnak. Az eutrofizáció, mely az állóvizek természetes elöregedési folyamataként is jelentkezik, az 1960-as években a fejlett iparral és mezőgazdasággal rendelkező társadalmakban került előtérbe. A jelenséget elsősorban a két legfontosabb növényi tápanyag, a nitrogén és a foszfor külső terhelésének növekedésével kapcsolatban észlelték. A nitrogén- és foszforfeldúsulás okai lehetnek a vízgyűjtő szennyezőforrásai (kommunális és ipari szennyvizek), a felszíni és felszínalatti lefolyás által a mezőgazdasági és települési területekről lemosott tápanyagok, továbbá a légkörből a vízre és a vízgyűjtőre jutó terhelés. Hazánk és Közép-Európa állóvizeiben a limitáló tápanyag csaknem kizárólag a foszfor és ezen belül is az úgynevezett biológiailag hozzáférhető foszfor. A Jolánkai és Bíró (2005) által meghatározott tápanyagmérleg szerint a Balatont érő foszforterhelés általában egy nagyságrenddel kisebb, mint a nitrogéné. Az optimális arány 16:1 a nitrogén javára, ha ez az arány 10:1-re változik, akkor nitrogén hiány, ha 20:1-re változik, akkor pedig foszfor hiány lép fel az ökológiai rendszerben. A Jolánkai és Bíró (2005) szerinti tápanyagmérlegben a légköri terhelés csak becsült értékkel szerepel, ezért vállalkoztunk egy pontosabb és egy több komponensre kiterjedő mérleg elkészítésére. Célkitűzések Kutatásom célja a Balaton és a légkör közötti nitrogén mérleg meghatározása. Célom nemcsak az ülepedő komponensek hatásának becslése, hanem az emisszióval járó folyamatok vizsgálata is, végső soron a nettó fluxus számítása is. A teljes mérleg meghatározásához figyelembe kell venni a nitrogén tartalmú gázok és aeroszol részecskék száraz és nedves ülepedését, illetve ammónia esetén a nettó fluxust is. A Balaton-légkör közti kicserélődés mértékét a 2001 és 2004 közötti időszakra számítottam ki egy részletesen kidolgozott mérési programra támaszkodva. 2

3 Alkalmazott módszerek A mérlegkomponensek közül az ammónia kicserélődésnek a mértékét az ún. kompenzációspont modellel határoztam meg 2001 és 2004 között. A kompenzációs-pont modellnél a vizsgált nyomgáz fluxusát a vízfelszín fölött (z szinten) mért légköri koncentráció, illetve az érdességi magasság (z 0 ) szintjére számított kompenzációs-pont koncentráció különbsége és az ülepedési sebesség segítségével számítottam. A légköri koncentrációkat részben a helyszínen mértük, részben háttér légszennyezettség-mérő állomások adataiból interpoláltam. A kompenzációs-pont koncentrációt (a víz fölötti egyensúlyi koncentrációt) a víz fizikai és kémiai paramétereiből származtattam. Az ülepedési sebességet az ülepedést gátló ellenállások eredőjének reciproka adja meg, mégpedig az aerodinamikai ellenállás (R a ), a határréteg ellenállás (R b ) és a felszíni ellenállás (R c ). Az ammónia és a salétromsav gőz felszíni ellenállása nullának vehető vízfelszín felett. A kompenzációs pont modell számára az ellenállásokat a turbulens áramok ismeretében a Monin Obukhov-féle hasonlósági elméleten alapuló ún. ellenállás modellel számoltam ki. Továbbá felhasználtam a FLake nevű tó-modellt is, mely képes nagy pontossággal meghatározni a sekély tavak hőmérsékleti profilját és a felszíni energiamérleg komponenseket. A Monin Obukhov-féle hasonlósági elméleten alapuló modell az univerzális függvények meghatározásánál a Businger et al. (1971) féle parametrizációt, míg a FLake modell a Dyer (1974) féle parametrizációt alkalmazza. Az univerzális függvények ismeretében számítottam a különböző ellenállásokat. A kompenzációs-pont koncentráció származtatásához a vízhőmérsékleten kívül a ph és a vízben oldott ammónia + ammónium koncentrációinak az ismerete is szükséges. Számításaimhoz négy balatoni mérőhelyen, kéthetente vett vízminták átlagolt koncentrációit használtam. A kompenzációs-pont modell bemenő adatainak az ismeretében meghatároztam az ammónia fluxusát között. A modell programozását Fortran forráskódban végeztem el. Az ammónia kompenzációs-pont koncentrációját kétféle módszerrel számítottam ki, egyrészt a klasszikus Henry-törvény alapján, míg egy másik elmélet szerint figyelembe vettem a vízben oldott szén-dioxid hatását az ammónia oldhatóságára (Hales Drewes elmélet). 3

4 A salétromsav gőz ülepedésének meghatározásakor is a fenti modellt alkalmaztam. Ebben a modellben egyetlen különbség az ammónia kompenzációs-pont modellhez képest, hogy a kompenzációs pont nulla lesz. A salétromsav gőz a vízből nem kerül a légkörbe, mivel a víz ph-ja enyhén bázikus. Ilyen ph tartományban a salétromsav disszociációja teljes, azaz HNO 3 molekula nem fordul elő a vízben. Így a salétromsav gőz árama csak a légkörből a víz felé irányulhat, vagyis csak ülepedhet. A kompenzációs-pont modellt az ammónia és a salétromsav gőz esetében is a gradiens módszerrel validáltam, egy július 12. és 25. közti nyári expedíció mérései alapján. A gradiens fluxus meghatározáshoz 2 különböző szinten mértük a légköri ammónia és salétromsav gőz koncentrációját. A koncentráció-gradiens és a szenzibilis hőáramra vonatkozó (mikrometeorológiai mérések alapján számított) turbulens diffúziós együttható segítségével kaptam meg a fluxust mértékét. Az aeroszol részecskék száraz ülepedésének meghatározását egy egyszerű ülepedési modell segítségével végeztem el, mivel a részecskék esetében csak az ülepedés képzelhető el. Az ülepedési modell egyszerűbb, mint a gázok esetében. Az aeroszol részecskék ülepedése, ellentétben a gázokéval, kevésbé függ a felszín sajátosságaitól. Nagymértékben függ viszont a részecskék ülepedési sebessége a mérettől. Egy adott mérettartományba tartozó részecske ülepedését a részecske ülepedési sebességének és koncentrációjának a szorzata adja. A részecskék ülepedési sebességének meghatározásához ismerni kell a részecskék méret szerinti eloszlását, az adott méretű részecskék ülepedési sebességét és koncentrációját. A koncentrációt, a gázokéhoz hasonlóan, részben helyszíni, részben származtatott értékekkel vettem figyelembe. Elméletileg az ülepedést a teljes mérettartomány integrálja adja, munkámban viszont egy, a részecskék nagyság szerinti eloszlásából számított átlagos részecskenagyságot használtam. Az adott átlagos részecske mérethez tartozó száraz ülepedési sebességet irodalmi adatok alapján becsültem. A nitrogénvegyületek nedves ülepedését a csapadékvíz kémiai összetételéből és a csapadék mennyiségéből határoztam meg. A nedves ülepedés mértékét a csapadékvízben lévő a nitrát vagy ammónium koncentrációja és a hozzá tartozó csapadékmennyiség szorzata adta. 4

5 Eredmények, következtetések 1. A nitrogén vegyületek Balaton és a légkör közti kicserélődésének vizsgálata alapján megállapítottam, hogy a tavat között átlagosan 440 t N év 1 nitrogénterhelés érte. Mivel a magyarországi háttérszennyezettség mértéke azóta nem változott számottevően, ez az érték napjainkra is jellemzőnek tekinthető. 2. Kimutattam, hogy a nitrogénterhelésben elsősorban a nedves ülepedés dominál, annak mintegy 96%-át teszi ki, ellentétben az alacsony és magas vegetációval borított felszínekkel, ahol a száraz ülepedés mértéke jóval meghaladja a nedvesét. Ennek fő oka nyilvánvalóan a vízi és szárazföldi felszínek közti karakterisztikák (érdesség) különbsége. Ezen okok miatt sem a gázok, sem az ammónium és a nitrát részecskék száraz ülepedése sem számottevő. 3. A Meyer-formula (OMSZ által alkalmazott párolgásszámítási eljárás) alapján meghatározott havi párolgási értékeket összehasonlítottam a FLake, valamint az ellenállás modellel kapott eredményekkel. Az összehasonlítás alapján a Meyerformulával és a FLake modellel számított párolgás értékek közötti korreláció mértéke r = 0,93, az ellenállás modellel pedig r = 0,80. Ezek az eredmények p = 0,01-es valószínűségi szinten szignifikáns kapcsolatra utalnak. Megállapítottam, hogy meghatározott feltételek mellett a bonyolultabb FLake modell alkalmazása nem szükséges, elegendő az egyszerűbb ellenállás modell használata is. 4. A Balaton vizének ph-ja abba a tartományba esik (ph = 8,3 8,9) melyben az oldott ammónia és az ammóniumion egyaránt létezik. Ez lehetővé teszi mind az ammónia ülepedését, mind a felszabadulását a tó vizéből. Mivel a víz fizikai és kémiai paraméterei által megszabott kompenzációs-pont koncentráció vizsgálataink során hol kisebb, hol nagyobb volt, mint az aktuális légköri koncentráció, az ammónia fluxusa kétirányú volt méréseim során. A nettó fluxus a négy év átlagában 32,7 t N év 1 kibocsátást mutat, ami nem elhanyagolható, de nem is domináns mennyiség a nitrogénmérlegben. A salétromsav gőz fluxusa pedig 21,8 t N év 1 (ülepedés). 5

6 5. Mivel az ammónia nettó fluxusát többek között a víz ammónia + ammónium és a levegő ammónia koncentrációja szabja meg, a Balatont érő nagyobb nitrogénterhelés esetén a kompenzációs-pont koncentráció is megnő, ami az ammónia kibocsátás megnövekedésével jár. Ez egy negatív visszacsatolás szerű folyamat, ami a nitrogénterhelés hatását tompíthatja. Nitrogénhiány esetén pedig a víz alacsony ammónia/ammónium tartalma miatt csökken a kompenzációs-pont koncentráció, ami a fluxus előjelének megfordulásával jár, azaz a tó a levegőből veszi fel a szükséges nitrogént. Részben ebből is következik, hogy a Balaton eutrofizációja foszfor limitált. 6. A kompenzációs-pont modellt validáltam egy nyári expedíció (2002. július ) gradiens módszerrel végrehajtott mérési sorozata segítségével. Erre az időszakra a mért és a modellezett módszerrel is meghatároztam a fluxusokat és összehasonlítottam őket. Az ammóniánál a korreláció r = 0,72-nek adódott, abban az esetben, ha a CO 2 hatását is figyelembe vettem (l. 7. tézispont), amely p = 0,01-es szinten szignifikáns kapcsolatot jelent. Salétromsav gőznél ez r = 0,68 volt, amely szintén a p = 0,01-es szinten szignifikáns. 7. A vízben oldott szén-dioxid valószínűleg hatással van az ammónia oldhatóságára. Korábbi vizsgálatok szerint az ammónia oldhatósága csökken (illékonysága megnő) a CO 2 hatására, melyet más kutatások később cáfoltak. Számításaim szerint a gradiens módszerrel mért ammónia fluxus és a klasszikus Henry-törvény alapján modellezett fluxusok közt nincs szignifikáns korreláció és az értékek között egy nagyságrendnyi különbség van. Ezzel ellentétben a CO 2 hatását figyelembe vevő Hales Drewes elmélettel számított fluxus szignifikáns korrelációt ad a mért értékkel és a modellezett, illetve a mért átlagértékek is megegyeznek. A CO 2 hatása számításaim szerint phfüggő, ph = 8,25 alatt csökkenti, e fölött növeli az ammónia oldhatóságát, mint ahogy vizsgálataim is ezt bizonyítják. Ez feltevésem szerint annak a következménye, hogy az oldott NH 3 és CO 2 reakciójából keletkező karbaminsav alacsonyabb ph-n illékony (ammóniát visz el), magasabb ph-n ionjaira disszociál, mely az ammóniát oldatban tartja (illékonyságát csökkenti). 6

7 Irodalomjegyzék Businger, J.A., Wyngaard, J.C., Izumi, Y., Bradley, E.F. (1971): Flux-Profile Relationships in the Atmospheric Surface Layer. Journal of Atmospheric Sciences 28: Jolánkai G., Bíró I. (2005): A Balaton tápanyag terhelésének mérlege, mérése és modellezése, A munka második részének zárójelentése. Témaszám: 714/31/ VITUKI Kht. Vízminőség-védelmi Szakágazat. 77p. Dyer, A.J. (1974): A review of flux-profile relationships. Boundary-Layer Meteorology 7: Az értekezés témaköréhez kapcsolódó publikációk Kugler, Sz., Horváth, L. (2004): Estimation of the nitrogen loading from the atmospheric dry deposition of ammonium and nitrate aerosol particles to Lake Balaton. Időjárás, Vol No. 3. pp Kugler, Sz., Horváth, L., Mészáros, R., Weidinger, T., Gyöngyösi, A.Z. (2004): Measuring and modeling of ammonia and nitric acid exchange between the atmosphere and Lake Balaton. Geophysical Research Abstract, Vol. 6. CD-ROM. EGU04-A Kugler, Sz., Horváth, L., Lewandowska, A. (2007): Measurement and modelling of the exchange of ammonia gas between atmosphere and aquatic ecosystems. Seventh Annual Meeting of the European Meteorological Society; Eight European Conference on Applications of Meteorology (ECAM) Abstracts, Vol. 4, EMS2007-A Kugler Sz., Horváth L. (2008): A nitrogénvegyületek kicserélődésének vizsgálata a Balaton és a légkör között. OTKA szakmai zárójelentés (A nitrogénvegyületek kicserélődésének vizsgálata a Balaton és a légkör között, T-46824), Budapest. 14p. 7

8 Kugler, Sz., Horváth, L., Machon, A. (2008): Estimation of nitrogen balance between the atmosphere and Lake Balaton and a semi natural grassland in Hungary. Environmental Pollution 154 pp Kugler Sz., Horváth L., Weidinger T. (2008): Az ammónia kicserélődése a légkör és vízi ökológiai rendszerek között. In: (ed.: Sáhó Á.) A levegőkörnyezet állapota: ökológiai kölcsönhatások és egészségügyi kockázatok. A 33. Meteorológiai Tudományos Napok 2007 kiadványa, pp Horvath, L., Weidinger, T., Machon, A., Tuba, Z., Nagy, Z., Grosz, B., Führer, E., Kugler, Sz., Pogány, A., Huszár, H. (2011): National contributions to the assessment of nitrogen, 8.8 Hungary. COST729 Assessing and managing nitrogen fluxes in the atmosphere-biosphere system in Europe, Final Report (Edited by Bleeker A. and Erisman, J.W.) Wageningen Academic Publishers, Kugler, Sz., Horváth, L. Weidinger, T. (2013): Measurement and modelling of the exchange of ammonia gas between atmosphere and Lake Balaton. Thirteenth Annual Meeting of the European Meteorological Society; Eleventh European Conference on Applications of Meteorology (ECAM) Abstracts, Vol. 10, EMS Kugler, Sz., Horváth, L., Weidinger, T. (2014): Modeling dry flux of ammonia and nitric acid between the atmosphere and Lake Balaton. Időjárás. Vol No. 2. pp (Megjelenés alatt). 8