Въпрос на химия

Всички газове ли са от значение за околната среда?

Много от газовете във въздуха нямат особено значение в химическо отношение. Някои трасиращи газове, като въглеродния диоксид и азотния оксид, не реагират лесно във въздуха, поради което те са категоризирани като дългоживеещи газове. Основната съставка на въздуха, азотът, също е до голяма степен инертен в атмосферата. Дългоживеещите трасиращи газове са налични в почти едни и същи концентрации по целия свят. Ако вземете проби в северното и в южното полукълбо, няма да има голяма разлика в количеството на тези газове във въздуха.

Концентрациите на други газове обаче, като серен диоксид, амоняк и чувствителните към слънчевата светлина оксиданти (например озон), са много по-променливи. Тези газове представляват заплаха за околната среда и здравето на човека и тъй като реагират много бързо в атмосферата, те не са много трайни в първоначалната си форма. Те реагират бързо и образуват други съединения или се отделят като отлагания на повърхността и затова се наричат краткоживеещи газове. Ето защо те се срещат близо до местата, където са били изпуснати или образувани в резултат на реакция. Дистанционните сателитни снимки показват натрупвания на тези краткоживеещи газове в някои части на света, най-често в индустриалните зони.

Как тези краткоживеещи газове могат да създават проблеми за качеството на въздуха и околната среда?

Много от тези краткоживеещи газове са токсични за здравето на човека и растителността. Освен това в атмосферата те лесно се превръщат в други замърсители, някои под въздействието на слънчевата светлина. Енергията на слънцето е в състояние да разложи много от тези краткоживеещи газове на нови химични съединения. Азотният диоксид е добър пример за това. Азотният диоксид се получава главно при горенето на горива, било в бензиновите автомобилни двигатели, или в електроцентралите, използващи газ или каменни въглища. Когато бъде изложен на слънчева светлина, азотният диоксид се разпада на две химически съединения: азотен оксид и така наречения от химиците атомен кислород. Атомният кислород представлява просто единичен атом кислород.  Той реагира с молекулния кислород (два кислородни атома, съчетани в молекули O2), образувайки озон (O3), който е токсичен за екосистемите и здравето на човека и е един от най-важните замърсители във всички индустриални държави.

Но през 80-те години на миналия век нямахме ли нужда от озона като защита срещу прекомерната слънчева радиация?

Така е. Но озонът в озоновия слой е в стратосферата на височина от 10 до 50 километра над повърхността, където ни осигурява защита срещу ултравиолетовите лъчи. Озонът на по-малки височини – наричан обикновено  проземен озон– е заплаха за здравето на човека, селскостопанските култури и друга чувствителна растителност.

Озонът е силен оксидант. Той навлиза в растенията през малки пори на листата. Поглъща се от растението и генерира свободни радикали – нестабилни молекули, увреждащи мембраните и протеините. Растенията разполагат със сложни механизми за справяне със свободните радикали. Ако растението трябва обаче да отдаде част от енергията, набрана от него от слънчевата светлина и фотосинтезата, за поправяне на вредата, причинена от свободните радикали, ще му остане по-малко енергия за растеж. Затова когато селскостопанските култури са изложени на озон, те са по-малко продуктивни. Навсякъде в Европа, Северна Америка и Азия селскостопанските добиви са намалени от озона.

Химията на озона при хората е много подобна на химията на озона при растенията. Само че вместо да навлиза през пори на повърхността на растението, озонът се поглъща през белодробната плевра. Той образува свободни радикали в плеврата на белите дробове и уврежда функцията им. Затова най-застрашени от озона са хората с респираторни проблеми. Ако погледнете статистическите данни, периодите на високи концентрации на озон показват ръст на дневната смъртност при хората.

След като тези газове са краткоживеещи, не следва ли драстичното намаляване на емисиите на азотен диоксид да доведе до бърз спад на концентрациите на озон?

По принцип, да. Намалим ли емисиите, концентрациите на озон ще почнат да падат. Приземният озон се образува чак до височина от около 10 км. Така че там горе остава още доста голям озонов фон. Ако спрем емисиите напълно, ще е необходим около един месец, за да се върнем до естествените концентрации на озон.

Но дори ако Европа предприеме тази мярка по отношение на емисиите, това няма на практика да намали излагането ни на озон. Част от постъпващия в Европа озон идва от озона, образуван в резултат на европейските емисии. Но Европа е изложена и на озон, пренасян от Китай, Индия и Северна Америка. Самият азотен диоксид е краткоживеещ газ, но създадения от него озон може да трае по-дълго и затова има време да бъде пренасян от вятъра около планетата. Евентуално едностранно решение на ЕС ще намали някои от пиковете на производството на озон над Европа, но това ще бъде твърде малък принос за общия фон, тъй като Европа е само един от многото фактори на това замърсяване.

Европа, Северна Америка, Китай, Индия и Япония – всички те имат проблеми с озона. Дори бързо развиващите се страни като Бразилия (където изгарянето на биомаса и моторните превозни средства изпускат прекурсорни газове на озона) имат проблем с озона. Най-чистите части на света по отношение на производството на озон са отдалечените океански райони.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

Единствен източник на безпокойство ли е озонът?

Аерозолите са другият основен замърсител и те са по-важни от озона. Аерозолите в този смисъл не са онова, което обикновено са аерозолите в представите на потребителите, като дезодорантите и спрея за мебели, които могат да се купят в супермаркета. За химиците аерозолите са малки частици в атмосферата, наречени още прахови частици (ПЧ). Те могат да бъдат твърди или течни, а някои от частиците стават капчици във влажния въздух, след което възвръщат твърдото си състояние, когато въздухът се изсуши. Аерозолите са свързани с по-висока човешка смъртност, като хората, изложени на най-голяма опасност, са тези с респираторни проблеми. Праховите частици в атмосферата водят до по-тежки последици за здравето от озона.

Много от замърсителите, създадени от човешки дейности, се изпускат като газове. Например сярата обикновено се изпуска като серен диоксид (SO2), докато азотът се изпуска като азотен диоксид (NO2) и/или амоняк (NH3). След като попаднат обаче в атмосферата, тези газове се превръщат в частици. Този процес превръща серния диоксид в сулфатни частици, не по-големи от част от микрона.

Ако във въздуха има достатъчно амоняк, този сулфат реагира и става амониев сулфат. Ако погледнете въздуха над Европа преди 50 години, амониевият сулфат е бил всъщност преобладаваща съставка. Ние обаче намалихме много серните емисии над Европа – с около 90 % от 70-те години на миналия век досега.

Но въпреки че намалихме серните емисии, намаляването на емисиите на амоняк далеч не беше толкова значително.  Това ще рече, че амонякът в атмосферата реагира с други вещества. Например NO2 в атмосферата се превръща в азотна киселина, която на свой ред реагира с амоняка, за да се получи амониев нитрат.

Амониевият нитрат е силно летлив. По-нависоко в атмосферата амониевият нитрат е твърда частица или капчица, но в топъл ден и близо до повърхността амониевият нитрат се разпада на азотна киселина и амоняк, като и двете съединения се отлагат много бързо на земната повърхност.

Какво става, ако азотната киселина се отложи на земната повърхност?

Азотната киселина добавя азот към земната повърхност и действа на практика като тор за нашите растения. Така ние торим природната среда в Европа от атмосферата по същия начин, по който земеделските производители торят обработваемата земя. Допълнителният азот, наторяващ естествения пейзаж, води до подкиселяване и до увеличена емисия на азотен оксид, но същевременно увеличава растежа на горите, така че той е както опасен, така и полезен. Най-голямото въздействие на азота, отложен в естествения пейзаж, е снабдяването на естествените екосистеми с допълнителни хранителни вещества. В резултат гладните за азот растения растат много бързо, развиват се и изтласкват бавнорастящите видове. Това води до загуба на по-специализираните видове, които са се приспособили да виреят в нискоазотна среда. Вече можем да видим промяна в биологичното разнообразие на флората в цяла Европа в резултат на това, че наторяваме континента от атмосферата.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

„Всеки от нас се опитва да създаде в околната ни среда оптимални условия за нашето благополучие. Качеството на въздуха, който дишаме, оказва съществено влияние върху живота и благополучието ни.“ Cesarino Leoni, Италия

Справихме се със серните емисии и озоновия слой. Защо не сме се справили с амонячния проблем?

Емисиите на амоняк идват от селскостопанския сектор, и по-специално от интензивния сектор на млечната промишленост. Урината и органичният тор от кравите и овцете на полето водят до емисии на амоняк в атмосферата. Той е много силно реактивен и лесно се отлага в почвата. Освен това амонякът образува амониев нитрат и има значителен принос за праховите частици в атмосферата, както и за свързаните с тях здравни проблеми на човека. Преобладаващата част от амоняка, който изпускаме в Европа, се отлага в Европа. Нужна е по-силна политическа воля за въвеждане на мерките за намаляване на емисиите от амоняк.

Интересно е, че в случая със сярата политическата воля беше абсолютно налице. Мисля, че това се дължеше отчасти на чувството за морален дълг от страна на държавите с големи емисии в Европа, в сравнение със скандинавските държави като нетни получатели, където се наблюдават повечето проблеми с киселинното отлагане.

Намаляването на емисиите на амоняк ще означава насочване към селскостопанския сектор, а селскостопанските лобита са доста влиятелни в политическите кръгове. Положението не е различно в Северна Америка. Там също има голям проблем с емисиите на амоняк и също така липсват действия за тяхното ограничаване.

Допълнителна информация

• В областта на атмосферната химия: ESPERE Climate Encyclopaedia