3.10.1 A légkör kémiája: szmog, ózon és üvegházhatás

A levegő elegy, a szennyezés pedig nem egyetlen anyag

A száraz levegő közel 78 térfogatszázalék N₂-t, 21% O₂-t és körülbelül 1% egyéb gázt tartalmaz; ezek közül az argon a legnagyobb rész. A vízgőz mennyisége helytől és időjárástól függ. A CO₂ természetes összetevő, de koncentrációja nem állandó. Egy szennyező forrását, koncentrációját és hatását együtt vizsgáld.

Elsődleges szennyező közvetlenül a forrásból kerül a levegőbe, például CO, SO₂, korom vagy NO. Másodlagos szennyező más anyagok légköri reakcióiban keletkezik; példa a talajközeli ózon és a savas aeroszolok egy része.

Összetétel, kibocsátás és koncentráció

A térfogatszázalék a teljes gázelegy térfogatához viszonyítja az összetevő térfogatát azonos hőmérsékleten és nyomáson. A levegő közel állandó fő összetevőit nem keverjük össze azzal, hogy minden összetevő aránya állandó lenne. A száraz levegő adataiból a vízgőzt kihagyjuk; nedves levegőben a vízgőz a teljes térfogatból is részt foglal el.

A kibocsátás azt fejezi ki, mennyi anyag kerül ki a forrásból, például egy nap alatt. A koncentráció azt, mennyi anyag van az adott levegőtérfogatban vagy gázelegyben. Azonos kibocsátás mellett a szél, a keveredés, a kémiai átalakulás és az ülepedés miatt eltérő koncentráció alakulhat ki. A forrásnál és egy távolabbi helyen mért érték ezért nem feltétlenül ugyanaz.

Anyag → forrás → kémiai kapcsolat

NO, NO₂ és N₂O: három különböző anyag

A gyűjtőnevet az adott összefüggésben értelmezd

A levegőszennyezési kémiában NO_x alatt általában az NO és NO₂ együttesét értjük. Az N₂O nem egyszerűen ugyanennek az elnevezésnek egy harmadik, azonos viselkedésű tagja. A nitrózus gázok elnevezés sem helyettesíti a pontos képletet: a reakcióegyenlethez meg kell adni, melyik anyagról van szó.

A szálló részecske gyűjtőfogalom: lehet korom, ásványi por, sótartalmú vagy más összetételű aeroszol. A PM-jelölések méret szerinti csoportokat különítenek el, nem egyetlen kémiai vegyületet neveznek meg. Egy gázt és egy aeroszolrészecskét ezért a mérésben és az eltávolításban is külön kell kezelni.

A savas ülepedés nem azonos az üvegházhatással

Az SO₂ és nitrogén-oxidok légköri átalakulása kén- és salétromsavhoz kapcsolódó savasító részecskéket adhat. Ezek esővel vagy száraz ülepedéssel is a felszínre juthatnak. A természetes, CO₂-ot oldó esővíz is enyhén savas lehet; az ipari eredetű savas ülepedést nem pusztán a „pH kisebb, mint 7” állítás jellemzi.

A karbonátos kőzetet a sav oldja: CaCO₃ + 2 H⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + H₂O. A talajban savasodáskor egyes fémionok mozgékonysága is nőhet. Az üvegházhatás viszont a sugárzási energiamérleggel kapcsolatos, nem közvetlen sav–bázis folyamat.

A savasító anyag csapadékkal és anélkül is eljuthat a felszínre

Nedves ülepedéskor az átalakult anyagok esővel, hóval vagy köddel jutnak a felszínre. Száraz ülepedéskor gázok és részecskék csapadék nélkül rakódnak le; egy későbbi eső az ott felhalmozódott anyagot is lemoshatja. A savas ülepedés ezért tágabb fogalom, mint a savas eső.

A kén-dioxid vízbe oldódva és további oxidációval savasító kénvegyületekhez vezethet. A nitrogén-oxidok átalakulásából salétromsavhoz kapcsolódó összetevők is képződhetnek. A légkörben több, részben gyökös és részben vízcseppekben zajló reakció működik együtt; az alábbi nettó mérlegek az összes atom elszámolását mutatják, nem egyetlen elemi ütközést.

Két szmogtípus összehasonlítása

Kedvező körülmény és kémiai forrás együtt kell

A London-típusú szmoghoz a hagyományos leírásban hűvös, párás idő, füst és kén-dioxid, valamint gyenge légkeveredés társul. A fotokémiai szmogban a fényindított reakciók, NO_x és illékony szerves vegyületek, röviden VOC-k szerepe fontos. Az erős napsütés kedvezhet a képződésnek, de a tényleges állapothoz a kibocsátást és az anyagok elszállítását is ismerni kell.

A talajközeli ózon jellemzően másodlagosan képződik: nem szükséges, hogy egy kémény közvetlenül ózont bocsásson ki. A szél az előanyagokat és a képződött ózont is távolabb viheti, ezért a probléma a forrástól távoli térségben is megjelenhet. A légköri jelenséget nem kizárólag az ég vagy a köd látható színéből azonosítjuk.

Ózonréteg és CFC-k

A sztratoszférába jutó egyes halogéntartalmú vegyületekből UV-fény hatására reaktív gyökök keletkezhetnek. Ezek több ciklusban képesek ózont bontani, mert egy láncvivő lépésben újra létrejönnek. A CFC-k korábbi stabilitása és alkalmazhatósága ezért nem jelentett teljes környezeti ártalmatlanságot.

A tankönyv korabeli állítását ne tanuld időtlen tényként: a nemzetközi korlátozások nyomán az ózonréteg helyreállása megfigyelhető, miközben évről évre változik az ózonlyuk. A mechanizmust és a lassú helyreállás okát tanuld; az aktuális állapothoz WMO-összefoglalót használj.

A stabil kiindulási anyagból reaktív gyök képződhet

Egyes CFC-k a légkör alsóbb rétegeiben nehezen bomlanak, ezért hosszú ideig fennmaradhatnak és eljuthatnak a sztratoszférába. Ott az UV-sugárzásból származó energia klórtartalmú reaktív részecskék képződését indíthatja. A gyökös körben már ezek a részecskék vesznek részt, nem a változatlan CFC-molekula ismétel minden részlépést.

Ha egy aktív klórtartalmú részecske a kör végén visszaképződik, újabb ózonbontásban vehet részt. Ez magyarázza, miért nem egy ózonmolekula elbontása jut egyszerűen egy kibocsátott kiindulási molekulára. A kibocsátás visszaszorítása után a hosszú légköri tartózkodás miatt a rendszer válasza sem azonnali.

A természetes üvegházhatás fontos, a fokozódása változtatja a mérleget

A felszín a felvett energiát infravörös sugárzásként is leadja. Egyes gázok ezt bizonyos hullámhosszakon elnyelik és sugároznak; változásuk módosítja a Föld energiamérlegét. A CO₂, vízgőz és CH₄ ilyen gáz. Az N₂ és O₂ nem ugyanilyen hatékonyságú infravörös elnyelő.

Az üvegház vagy takaró hasonlat a hőveszteség megváltozását szemlélteti, de a légkör nem üvegtető: a sugárzás, felhők és légmozgás együtt alakítják a rendszert. Az ózonlyuk és a klímaváltozás nem ugyanaz a folyamat.

Négy jelenség: külön ok és külön következmény