Környezeti kémia II. Troposzféra 2015.10.02-19.
A klíma = átlagos időjárás egy specifikus helyen bizonyos időintervallumra (egy év, vagy évszakok) Lokális-globális Dinamikus jelenség
Hőmérsékleti anomália ( C) globális vagy csak lokális??? Rekonstruált hőmérséklet Középkori melegebb periódus Kis jégkorszak éghajlat természetes ingadozásának eredménye: naptevékenység csökkenésében, földi vulkáni aktivitás növekedésében (és a légkörben jelenlévő vulkáni hamunak a Nap sugárzását visszaverő hatásában) középkori éghajlati optimum: vikingek le tudtak telepedni Grönlandon (987-15. század)
Mi határozza meg a klímát? Az atmoszféra sokat foglalkozunk vele közvetlen és gyors hatás napsugárzási egyenleg összetétel, aeroszol, stb kölcsönös hatás Hidroszféra kevesebbet vizsgáljuk (elnyújtott hatás) Talaj még kevesebbet könnyebben vizsgálható és jósolható
Ami indul Nap T 5800 K Föld T 290 K Planck-egyenlet: a testek energiát kisugározni vagy elnyelni csak meghatározott adagokban, úgynevezett energiakvantumokban tudnak, egy adott hőmérsékletű anyag hullámhossz egységenkénti kisugárzási energiája: M 2 2 hc 1 5 hc/ kt e 1 M λ : a kibocsátott energia W m -2 m -1 adott hullámhosszra (!) A hőmérséklet határozza meg a hullámhossz-eloszlást: max 2.88 10 T 3
A napsugárzás energiaspektruma a légkör tetején és a tengerszinten:.
1368 Wm -2 A csökkentő tényezők 23% (19+4) elnyelődik a légkörben 6% visszaverődik a tükröző felületekről 17 % a vízcseppekről, 8 % a részecskékről
Albedo (A) összesen 31% Egy test által kapott fény azon része, amit a test visszaver. Az albedó értéke 0 (tökéletesen fekete) és 1 (tökéletes visszaverő) között változik. Átlag: 0,3 A különböző felszíni elemek albedója Beeső napfény Visszavert vagy szórt fény felhő hó Erdő Óceán sivatag Szántóföld Globális átlagos albedó: kb. 30%
Hogyan alakul a felszíni hőmérséklet? F s = 1368 W m -2 E s : a Föld által abszorbeált napenergia = teljes bejövő teljes reflektált Stacionárius állapotban ugyanennyi vissza is jut (abszorbeált=emittált) Wien-törvény, a Stefan-Boltzman konstans: 5 4 4 2 k 8 2 4 Fe T 5, 67 10 Wm K 3 2 e 15hc Teljes felület által kisugárzott energia: 2 4 Ee 4r T 1 e F 1 A r 4 r T s E F 1 A r s 2 2 2 4 s e T 1 A F s 4 4
A klíma jellemzése A hőmérséklet Modell számítás: -19 o C mért +17 o C ΔT=36 C Bolygó Számolt T(K) Mért T(K) T(K) Föld 254 290 +36 Mars 217 223 +6 Vénusz 227 732 +505 CO 2 parciális nyomás 0,04 kpa(0,0387%) 0,6 kpa 9000 kpa 95%
A klíma jellemzése Indok Feltétel: kisugárzott energia a az űrbe jut????? Üvegházhatás!!! felszíni kisugárzás egy részét gázok abszorbeálják az alsó légkörben ez teszi lehetővé az életet kb 5.5 km magasan, T=254K efölött az IR sugárzás elnyelése lecsökken
Globális sugárzási egyenleg
A Föld kisugárzása A földfelszínt elhagyó, mért sugárzás intenzitása (folytonos vonal) és az üvegházhatású gázok jelenléte nélkül várható intenzitás (szaggatott vonal): Elméleti színkép: Intenzitás Hullámhosszúság ( m)
Üvegházhatású gázok
A víz és a szén-dioxid elnyelési színképe:
Globális felmelegedés É-i félgömb Télen nagyobb növekedés: növények aktivitása csökken, fűtés kezdődik
CO 2 Fosszilis tüzelőanyagok égetése: kb 150 éve, jelenleg évente 20 000 Mt CO 2 Trópusi esőerdők irtása Cementgyártás Légiközlekedés kevesebb CO 2 megkötés Keeling-görbe fűrészfog- effektus növényzet szerepe!!!
CH 4 3-3,6 μm ill. 7,1-8,3 μm tartományokban abszorbeál Szerves anyag anaerob bomlásából: mocsarak, mezőgazdasági területek (rizs) (T, növényzet és talaj befolyásolja) Fosszilis tüzelőanyagok tökéletlen égetése, közlekedés, földgáz vezetékek szivárgása Állattenyésztés : kérődzők (szarvasmarha, kecske, birka) Metán kibocsátás kb. 30-40%-a: trópusi országok (állattenyésztés + rizsföldek) Metán szint növekedés: 20 ppbv-ről 8 ppbv-re csökkent egykori szovjet államok földgáz rendszerének javulása?
CFC-k Klórozott fluorozott szénhidrogének 8-12 μm tartományokban abszorbeál 1950-1970: CFC-gázok előállításának és használatának gyors növekedése (aeroszolok, hűtőszekrények hűtőfolyadéka, légkondicionálókban, habok előállítása során) HCFC-k : rövidebb tartózkodási idő 1-2 ppbv koncentráció együttesen, erőteljes növekedés volt megfigyelhető Montreal-i Protokoll 1989 CF 4, C 2 F 6 : Al 2 O 3 elektrolízise során (kriolit Na 3 AlF 6, szén elektród) SF 6 : Mg előállítás során τ=3200 év
Antropogén hatás Energiatermelés és -felhasználás Antropogén eredetű üvegházhatású gázok megoszlása (2004) (globális teljes kibocsátás mennyiségét és az egyes gázok relatív üvegházhatását figyelembe véve) Antropogén eredetű üvegházhatású gázkibocsátás megoszlása a különböző szektorokban (2004) (CO 2 ekvivalens hatást figyelembe véve)
Pozitív és negatív visszacsatolás CO 2 : konc. nő, nő a fotoszintézis, nő a párolgás, nő a felhőképződés NEGATÍV CH 4 : hőmérséklet nő, mocsaras területek kibocsátása nő, hőm.növekedés POZITÍV
Adatok, trendek
Kyotoi protokoll 1992. Rio de Janeiro ENSZ Éghajlat-változási Keretegyezményének (UNFCCC) kiegészítő kyotoi jegyzőkönyve: 2005.febr.16-án, USA és Ausztrália (2007) ratifikálása nélkül lép hatályba 2008-2012-es időszakra átlagosan 5,2%-kal csökkentik az üvegházhatású gázok kibocsátását az 1990-es bázisévhez képest Mo.: 6%-os csökkentést vállalt az 1985 1987-es időszak átlagos kibocsátásához képest 2007. évi IV. törvény
Szén-dioxid kvóták RMU: Removal Unit 1t CO 2 új egység (régi: AAU Assigned Amount Unit, CER Certified Emission Reduction) Magyarország elsőként adott el a Kiotói Jegyzőkönyv újfajta széndioxid-kvóta termékéből : akár 3,9 mió RMU is lehet magyarországi erdőterület 1990 és 2011 között 13 százalékkal 19217 négyzetkilométerre nőtt 2008 és 2010 között: 38 milliárd Ft bevételre tett szert azzal, hogy 11,6 millió AAU jegyet adott el Belgiumnak, Spanyolországnak, illetve egy japán vállalatnak, illetve egy magyar társaságnak 0,8 millió CER-t értékesített 2011: 2,7 milliárd forintnyi bevételre tett szert Mo. 2012: ki nem fizetett szén-dioxid-kvóta értéke eléri a 10-15 millió eurót, amelynek 10 százaléka az államot illetné Már eladott kvóták (HVG:2012.okt.4.)
magasság Smoke + fog = Smog = Füstköd Szmog (1905. De Voeux) Levegőszennyezés, szilárd és folyékony részecskéket tartalmazó köd Nem globális, lokális, nagyvárosoknál Hőmérsékleti inverzió, nincs keveredés + egyéb meteorológiai körülmények (szélsebesség, turbulencia és diffúziós paraméterek ) hideg levegő Hideg levegő lesüllyed Meleg légréteg a hidegebb, nehezebb levegő felett meleg levegő termikus mozgás Meleg levegő felemelkedik Hideg levegő állandósul inverziós réteg záróréteg; (az anyagáramlás korlátozott) hideg levegő Normál légköri körülmények Légköri inverzió h T = 0,15 km/k meleg levegő a levegő hőmérséklete
Klasszikus v. Londoni szmog Tüzelőanyagok égetése, SO 2, CO, por, korom, redukáló hatás Hideg téli napok, alsó légréteg lehűl, főleg hajnali órák, de állandósulhat 1952. 4000 ember halt meg Visszaszorul A halálozások száma, illetve a levegő kén-dioxid és füstkoncentrációja (London, 1952)
Fotokémiai füstköd Los Angeles-i szmog Közlekedés: NO, CO, CH-vegyületek, OH gyök hatására oxidálódnak, NO 2, aldehidek, O 3, peroxivegyületek (PAN) barnás levegő, oxidáló hatás Nyár, erős napsugárzás, felül még melegebb légréteg, felső légréteg felmelegedése, rossz keveredés 1986. néhány 100 ember halt meg, Kalifornia
Összehasonlítás Tulajdonság Los Angeles London Levegő hőmérséklete 24 32 C -1 4 C Relatív páratartalom < 70% 85% (+köd) Szélsebesség < 3 ms -1 Nyugodt Láthatóság < 0,8-1,6 km < 30m A leggyakoribb előfordulás Augusztus-szeptember December-január Fő üzemanyagok Kőolaj Szén és kőolajtermékek Fő alkotók O 3, NO, NO 2, CO, OM PM, CO, S-vegyületek Kémiai reakciók típusai Oxidatív Reduktív Legnagyobb előfordulás Délben Kora reggel Fő egészségügyi hatás Ideiglenes szemirritáció (PAN) Légúti irritácó, köhögés (SO 2 /füst) Anyag károsodás Gumi repedezés (O 3 ) Vas, beton Raiswell et al. (1980)
Los Angeles-i szmog + CO, VOC közlekedésből Izoprén (lomblevelű fák)
Laboratóriumi kísérlet Koncentráció időbeli alakulása: Kora reggel, csúcsforgalomban: O 3 fogy, NO 2 nő Napközben, napsütés: gyökök képződése NO 2 képződik Toronto, 1992 máj.21. Felhőtlen, 26 C NO 2 bomlik, O 3 képződik Délután: kevesebb besugárzás, O 3 csökken
Számítások: 1. NO képződhet-e N 2 -ből és O 2 -ből 25 C-on? ΔG r, K 2. NO képződhet-e N 2 -ből és O 2 -ből 2500 C-on, a robbanó motor szikrahőmérsékletén? ΔG r, K, p NO 3. NO kikerül a városi levegőbe, felhígul, lehűl: p NO 4. Visszaalakul-e a NO N 2 -é és O 2 -é? Mennyi marad? p NO Termodinamika!! 5. Visszaalakul-e a NO N 2 -é és O 2 -é? Kinetika!!! k,v Keletkező NO termodinamikailag nem stabil, de kinetikailag inert 25 C-on!!! NO O 2 -nel való reakciója is lassú, így nem ez a legfontosabb oxidálószer, hanem az O 3, peroxi gyökök
Vége