1

Procesy zachodzące w

Procesy zachodzące w

atmosferze

atmosferze

Wzrastająca liczebność populacji ludzkiej,

postępująca rewolucja naukowo –

techniczna i wymagania wyższego

standardu życia sprawiły, że problemy

środowiskowe

o charakterze lokalnym ulegają

przekształceniu

w problemy o szerszym znaczeniu, często

już nawet globalnym.

Obecnie przejawia się to występowaniem

wielu negatywnych zjawisk, do których

należy zaliczyć:

•

Kwaśne deszcze

Kwaśne deszcze

•

Smog kwaśny i fotochemiczny

Smog kwaśny i fotochemiczny

•

Niszczenie warstwy ozonowej

Niszczenie warstwy ozonowej

•

Inwersję temperatury

Inwersję temperatury

•

Efekt cieplarniany

Efekt cieplarniany

2

Kwaśne deszcze

Kwaśny strumień oznacza sumę związków

zakwaszających,

głównie siarkowych i azotowych

głównie siarkowych i azotowych

, opadających na

powierzchnię Ziemi jako efekt depozycji suchej lub

mokrej.

Pojęcie to dotyczy opadu atmosferycznego, w którym

pH jest niższe od 5,6

pH jest niższe od 5,6.

Dominującą formą opadu atmosferycznego jest

deszcz

i stąd

tego typu opad nazywa się potocznie

kwaśnym

kwaśnym

deszczem

deszczem

.

Całkowity strumień opadającej siarki i azotu

wyrażany jest w kg/m

2

/rok.

3

Zakresy odczynu

Stężenie jonów wodorowych w roztworze jest miarą je

Stężenie jonów wodorowych w roztworze jest miarą je

go

go

kwasowości (

kwasowości (

pH)

pH)

4

Historia powstania terminu
„kwaśne deszcze”

1727: Stwierdzono wypłukiwanie kwasu z

zanieczyszczonego powietrza

1852: w Manchester, Anglia, podczas „rewolucji

przemysłowej” raportowano występowanie dziwnych

zjawisk związanych

z opadem atmosferycznym.

1872: Robert Smith, angielski chemik, użył określenia "acid

rain” Jako pierwszy określał zależności między

zanieczyszczeniem atmosfery a występowaniem

kwaśnych deszczy

1950: Zakwaszenie jezior opisane po raz pierwszy w

Kanadzie

1972:” Międzynarodowa Konferencja w Sprawie Środowiska

Człowieka, zorganizowana przez ONZ roku w Sztokholmie

- szkody wywołane przez kwaśne deszcze oceniono jako

wysoce niepokojące

1976: Rozpoczęcie monitorowania opadów Canadian

Network for Sampling Precipitation (CANSAP)

1978: "Acid Rain" jako modny temat w nagłówkach gazet

5

Kwaśny strumień

Tlenki azotu i siarki są gazami łatwo rozpuszczalnymi

w wodzie, dlatego też w atmosferze łączą się z kroplami
pary

wodnej

i

wspólnie

z

parami

kwasu

chlorowodorowego zakwaszając powietrze atmosferyczne
opadają w postaci kwaśnych deszczy na obszary lądów i
zbiorników wodnych -

60% związki siarki, 29% związki

azotu, kwas chlorowodorowy ma znaczenie trzeciorzędne.

Dowolna postać opadu atmosferycznego pochłania z atmosfery

Dowolna postać opadu atmosferycznego pochłania z atmosfery

gazowe składniki powietrza i wypłukuje zawieszone w niej

gazowe składniki powietrza i wypłukuje zawieszone w niej

cząstki materii (aerozole atmosferyczne).

cząstki materii (aerozole atmosferyczne).

Zanieczyszczenia te opadają na powierzchnię Ziemi w
formie:

• depozycji mokrej

depozycji mokrej

- wraz z opadami (deszcz, mżawka, mgła,

rosa,

śnieg, grad;



depozycji suchej

depozycji suchej

– bez udziału fazy ciekłe. Adsorbują się na

powierzchni wilgotnych gleb, roślin, wód (w kontakcie

z wodą również tworzą silne kwasy).

6

Kwaśny strumień: Depozycja

7

Kwaśny strumień

Zakwaszenie

opadów

atmosferycznych

powoduje, że do obiegu w systemach:
atmosfera – litosfera – hydrosfera,
wprowadzane są duże ilości jonów H

+

(oksoniowe H

3

O

+

).

Zakwaszanie więc oznacza, że do obiegu

wchodzą coraz większe ilości jonów
wodorowych.

Powoduje

to

wymierne

negatywne skutki w procesach chemicznych
i biologicznych zachodzących w tych
środowiskach.

8

Kwaśny strumień

Kwaśny strumień wpływa negatywnie na:

Kwaśny strumień wpływa negatywnie na:

glebę

glebę

•

Osłabienie aktywności enzymatycznej;

•

Wymywanie

makroelementów

(K,Ca,Mg);
• Przyswajanie przez rośliny metali

ciężkich.

zbiorniki

zbiorniki

wodne

wodne

•

Zmniejszanie się liczby gatunków

zwierząt i roślin.

• Szczególnie wrażliwe na kwaśne deszcze

okazały się ekosystemy wód śródlądowych.

• Zakwaszanie jezior i cieków wodnych

jest

związane

z zakwaszaniem gleby:
- 90% wód przedostało się po przejściu

przez warstwę

gleby;

- 10% pochodzi z opadów deszczu i śniegu

spadających bezpośrednio na jezioro.

9

Suma opadów, Polska, 2005
r.

10

Kwaśne deszcze i gleba

11

Góry Izerskie

12

Kwaśne deszcze i zbiorniki

1979 – pH 5.6

1982 – pH
5.1

13

Kwaśne deszcze i zabytki

1908

1969

14

Smog

Etymologia:

Smog = smoke + fog

Wyróżniamy dwa rodzaje smogu:

Wyróżniamy dwa rodzaje smogu:



smog kwaśny –

smog typu londyńskiego



smog fotochemiczny –

smog typu Los Angeles



Smog kwaśny

Smog kwaśny

Powstaje przy dużych stężeniach S

O

O

2

2

, CO

2

2

i pyłu węglowego

w wilgotnym powietrzu.
Długo zalegająca tuż nad ziemią mgła pochłania znaczne

ilości zanieczyszczeń zatrzymywanych tuż pod warstwą

inwersyjną. Ditlenek węgla i siarki dość dobrze rozpuszczają

się w wodzie skraplającej się na powierzchni cząsteczek

dymu.



Smog fotochemiczny

Smog fotochemiczny

Powstaje w atmosferze w wyniku obecności zanieczyszczeń

wtórnych, tworzących się w wyniku reakcji chemicznych

przebiegających pomiędzy zanieczyszczeniami pierwotnymi

- N

O

O

2

2

, N

O

O,

CO, związki organiczne (światło słoneczne).

15

16

Historia zagrożenia



Londyński incydent grudzień 1952

(>4,000 zgonów)



Także w Londynie:
– 1873 - 700 zgonów
– 1911 - 1,150 zgonów
– 1962 - 700 zgonów

• Dolina rzeki Mozy (Belgia), epizod z 1930 r. (63

ofiary)

• Donora (Pensylwania, USA), 1948 r. (20 ofiar).

Miasteczko 14 tys. mieszkańców. 20 zgonów i 6000

poszkodowanych przez smog z huty żelaza i cynku

i prod. kwasu siarkowego



1963 - Nowy York - 300 zgonów

17

London smog Vs LA smog

Los Angeles

London, 1952

18

Zanikanie ozonu w stratosferze

Ozon

w

warunkach

standardowych

jest

gazem

bezbarwnym o charakterystycznym zapachu. Posiada
własności bakteriobójcze i toksyczne a jego stężenie w
powietrzu atmosferycznym wynosi 150 m.
Gaz ten pełni ważną rolę w atmosferze, gdyż tworzy na
wysokości

20-40 km

20-40 km

nad powierzchnią Ziemi (stratosfera)

warstwę ozonową

warstwę ozonową

, która chroni powierzchnię Ziemi

przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym.

Ozon tworzy się w dolnych warstwach stratosfery

Ozon tworzy się w dolnych warstwach stratosfery

w wyniku reakcji fotochemicznej jakiej ulegają

w wyniku reakcji fotochemicznej jakiej ulegają

cząsteczki tlenu.

cząsteczki tlenu.

Foton promieniowania słonecznego o długości fali 242

nm powoduje fotowzbudzenie dwuatomowej cząsteczki

tlenu, która ulega następnie fotolizie i rozpada się na tlen

atomowy w stanie wzbudzonym (tzw. stan singletowy).

19

Zanikanie ozonu w stratosferze

Tworzenie się ozonu w atmosferze ziemskiej

*

*



Atomowy tlen w

formie wzbudzonej
ma wystarczająca
energię, aby z
cząsteczką O

2

2

utworzyć aktywny
kompleks O

3

3

*

*.



Jeżeli katalizator

odbierze nadmiar
energii z cząsteczki
O

3

3

*

*

przejdzie ona w

stan podstawowy ,
tworząc cząsteczkę
O

3

3

.



W innym przypadku

aktywny kompleks
O

3

3

*

*

rozpadnie się na

O

2

2

i na tlen atomowy,

który nie jest tak
aktywny, aby utworzyć
cząsteczkę ozonu.

20

Zanikanie ozonu w stratosferze

Spadek stężenia ozonu w atmosferze oraz

pojawienie się

„dziury” ozonowej

„dziury” ozonowej

doprowadził

do zintensyfikowania badań nad wyjaśnieniem

tego zjawiska.

CFCl

CFCl

3

3

CF

CF

2

2

Cl

Cl

2

2

destrukcja

destrukcja

ozonu

ozonu

Efekt zaniku

warstwy

ozonowej jest

szczególnie

widoczny w

rejonach

okołobiegunowy

ch, gdzie

warstwa ta jest

szczególnie

cienka.

21

Zanikanie ozonu w stratosferze

Zubożenie lub całkowite

zniszczenie warstwy ozonowej

prowadzi

do

zwiększenia

intensywności

światła

ultrafioletowego docierającego do Ziemi.

Na tym obszarze promieniowanie słoneczne nie jest tak
intensywne, jak na równiku lub w rejonie zwrotników, ale

zwiększenie promieniowania UV-B

zwiększenie promieniowania UV-B i

UV-C

UV-C docierającego do

powierzchni Ziemi może wywoływać:



zwiększenie zapadalności na choroby skóry (rak skóry);



rośnie ryzyko pojawiania się chorób oczu (katarakta,

zapalenie spojówek);



następuje osłabienie układu odpornościowego organizmu.

Obniżenie stężenia

Obniżenie stężenia

ozonu w atmosferze powoduje

ozonu w atmosferze powoduje

zmniejszenie pochłaniania fal elektromagnetycznych o

zmniejszenie pochłaniania fal elektromagnetycznych o

długości z zakresu 280 – 320 nm (jest to tzw. zakres UV-

długości z zakresu 280 – 320 nm (jest to tzw. zakres UV-

B promieniowania nadfioletowego) przede wszystkim w

B promieniowania nadfioletowego) przede wszystkim w

rejonach o szerokości geograficznej powyżej 45

rejonach o szerokości geograficznej powyżej 45

0

0

szerokości północnej i/lub południowej.

szerokości północnej i/lub południowej.

22

Biegun Południowy

23

Zanikanie ozonu w stratosferze

Alarmujące doniesienia o zmniejszaniu się grubości

warstwy ozonowej i o potencjalnych skutkach tego

procesu spowodowały, że:



w 1987 r. - w ramach ONZ wystosowano do wielu

krajów apel o zakaz stosowania freonów w przemyśle;



w 1987 r. - podpisano

Protokół Montrealski,

Protokół Montrealski,

w

którym

większość

krajów

uprzemysłowionych

zobowiązała się do obniżenia zużycia freonów o 50% do

1998r.;



w 1990 r. - podpisano

Układ Londyński

Układ Londyński

sygnatariusze zobowiązali się do całkowitego wycofania

freonów w terminie do 2000r.;



w 1992 r. –

Porozumienie Kopenhaskie

Porozumienie Kopenhaskie

skróciło

termin wycofania freonów do 1996r.

24

Inwersja temperatury

Inwersja temperatury (inwersja termiczna) ma ścisły związek

z występowaniem silnego zanieczyszczania powietrza

atmosferycznego.

Jest to zjawisko polegające na odwróceniu

normalnego rozkładu temperatur powietrza

atmosferycznego,

w wyniku czego powietrze cieplejsze utrzymuje się

nad chłodniejszym.

Wyróżnia się:



inwersję temperatury przyziemną

inwersję temperatury przyziemną

- zjawisko to jest wynikiem

wypromieniowania energii cieplnej przez podłoże;



inwersję temperatury w swobodnej atmosferze

inwersję temperatury w swobodnej atmosferze

- zjawisko

występujące na skutek występowania zstępujących prądów
powietrza.

25

Zanieczyszczenia

wprowadzane

do niskich warstw

atmosfery są w nich

zatrzymywane.

Ciepłe powietrze
unosi się do góry,
przenika przez
warstwy powietrza
chłodnego, które
opada na dół, ogrzewa
się, rozpręża
i unosi w górę.

Inwersja temperatury

26

Inwersja temperatury



Warstwa inwersyjna jest ciepła, sucha i bezchmurna,

Warstwa inwersyjna jest ciepła, sucha i bezchmurna,

przepuszczalna dla promieniowania słonecznego.

przepuszczalna dla promieniowania słonecznego.



Stwarza korzystne warunki do reakcji fotochemicznych, w

Stwarza korzystne warunki do reakcji fotochemicznych, w

wyniku

których

z

zanieczyszczeń

pierwotnych,

wyniku

których

z

zanieczyszczeń

pierwotnych,

zatrzymanych przez warstwę inwersyjną, powstają

zatrzymanych przez warstwę inwersyjną, powstają

zanieczyszczenia wtórne - smog utleniający.

zanieczyszczenia wtórne - smog utleniający.



Pod

warstwą

inwersyjną

kumulowane

są

Pod

warstwą

inwersyjną

kumulowane

są

zanieczyszczenia, których stężenia mogą być kilkaset razy

zanieczyszczenia, których stężenia mogą być kilkaset razy

wyższe od stężeń zazwyczaj tam panujących.

wyższe od stężeń zazwyczaj tam panujących.



Występowanie szczególnie uciążliwych zanieczyszczeń

Występowanie szczególnie uciążliwych zanieczyszczeń

powietrza jest związane z inwersją temperatury.

powietrza jest związane z inwersją temperatury.

27

Efekt cieplarniany

(efekt szklarniowy)

Jedną

z

przyczyn

zmian

warunków

klimatycznych jest

zmiana składu chemicznego

zmiana składu chemicznego

atmosfery.

atmosfery. Wraz z ewolucją Ziemi, także jej
atmosfera ulegała zmianom.

Jest to zjawisko naturalne, wynikające z

Jest to zjawisko naturalne, wynikające z

oddziaływania niektórych śladowych

oddziaływania niektórych śladowych

składników atmosfery na bilans

składników atmosfery na bilans

energetyczny Ziemi.

energetyczny Ziemi.

Ważną rolę wśród gazów śladowych zajmują gazy

Ważną rolę wśród gazów śladowych zajmują gazy

określane jako

określane jako

cieplarniane

cieplarniane

lub

lub

szklarniowe.

szklarniowe.

28

29

Efekt cieplarniany

Wyższe stężenie H

2

O i CO

2

zwiększa ilość

absorbowanego promieniowania podczerwonego i

wówczas następuje raczej odbijanie promieniowania

przez powietrze do Ziemi niż w przestrzeń kosmiczną,

do momentu aż ustali się nowy stan równowagi

termicznej.

30

Efekt cieplarniany

Dzięki obecności w atmosferze

Dzięki obecności w atmosferze

temperatura powietrza przy

temperatura powietrza przy

powierzchni ziemi wynosi średnio ~ 288K.

powierzchni ziemi wynosi średnio ~ 288K.

Brak w atmosferze wywołuje temp.

Brak w atmosferze wywołuje temp.

o

o

ok

ok

. 33

. 33

0

0

niższą (255K

niższą (255K

).

).

Gazy

szklarniowe

para wodna,

ditlenek węgla,

ozon, metan,

halogenopochod

ne

węglowodorów

(freony, halony),

ditlenek diazotu

Cechy charakterystyczne gazów szklarniowych

Cechy charakterystyczne gazów szklarniowych

(cieplarnianych)

(cieplarnianych)



przepuszczają w całości słoneczne promieniowanie

krótkofalowe, które ogrzewa Ziemię;



długofalowe promieniowanie emitowane z powierzchni

Ziemi, zatrzymywane jest przez te gazy, które częściowo
reemitują je ku powierzchni dodatkowo ją ogrzewając;
reszta promieniowania uchodzi w kosmos.

31

Efekt cieplarniany

Średnia temperatura na całym globie podniosła się

w ciągu ostatniego stulecia o 0,5

o

C.

Trwają dyskusje nad przyczyną tego zjawiska:

• wzrost uprzemysłowienie świata,

• ziemię mocniej ogrzewają promienie słoneczne.

Spór ma nie tylko aspekt akademicki ale również polityczny

i ekonomiczny.

32

Efekt cieplarniany

Ponad 100 krajów podpisało w 1999r. w Kioto

porozumienie,

w którym zobowiązuje się do 2012r. znacznie

zmniejszyć

(do 94,8% światowego poziomu z 1999r.)

emisję gazów

cieplarnianych, zwłaszcza CO

2

.

Administracja prez.

Administracja prez.

Busha

Busha

tego

tego

postanowienia nie chciala

postanowienia nie chciala

ratyfikować nie mając pewności, że

ratyfikować nie mając pewności, że

przyczyną zmian globalnego klimatu jest

przyczyną zmian globalnego klimatu jest

emisja CO

emisja CO

2

2

związana z rozwojem cywilizacji.

związana z rozwojem cywilizacji.

Na konferencji klimatycznej w Bonn, która

Na konferencji klimatycznej w Bonn, która

odbyła się 16-27 lipca 2001r. przedstawiciele

odbyła się 16-27 lipca 2001r. przedstawiciele

rządów 180 krajów negocjowali warunki

rządów 180 krajów negocjowali warunki

realizacji protokołu z

realizacji protokołu z

Kioto.

Kioto.

33

Efekt cieplarniany

34