Spurning um efnafræði

Skipta allar lofttegundir máli fyrir umhverfið?

Margar lofttegundanna í andrúmsloftinu eru ekki sérstaklega efnafræðilega mikilvægar. Sumar snefillofttegundir eins og koldíoxíð og nituroxíð hvarfast ekki auðveldlega í andrúmsloftinu og eru því flokkaðar sem langlífar lofttegundir. Helsti efnisþáttur lofts, nitur, er einnig að mestu leyti óvirkt í lofthjúpnum. Langlífar snefillofttegundir eru til staðar í svipuðum styrk um allan heim. Ef tekið væri sýni á norður- og suðurhveli jarðar væri ekki mikill munur á magni þessara lofttegunda í andrúmsloftinu.

Hins vegar er styrkur annarra lofttegunda eins og brennisteinsoxíðs, ammoníaks og sólarljósnæmra oxara eins og ósons mun breytilegri. Þessar lofttegundir ógna umhverfinu og heilsu manna og vegna þess að þær hvarfast hratt í andrúmsloftinu lifa þær ekki lengi í upprunalegri mynd. Þær hvarfast hratt og mynda önnur efnasambönd eða falla út til jarðar og kallast skammlífar lofttegundir. Þær eru því til staðar nálægt þeim stöðum þar sem þeim var sleppt eða þær myndaðar með efnahvarfi. Gervihnattamyndataka með fjarskynjun sýnir heita reiti þessara skammlífu lofttegunda í tilteknum heimshlutum, oftast á iðnvæddum svæðum.

Hvernig geta þessar skammlífu lofttegundir skapað vandamál fyrir loftgæði og umhverfi?

Margar þessara skammlífu lofttegunda eru skaðlegar gróðri og heilsu manna. Þær umbreytast einnig auðveldlega í andrúmsloftinu yfir í önnur mengunarefni, sum fyrir áhrif sólarljóss. Orka sólar er fær um að kljúfa mörg þessara hvarfgjörnu skammlífu lofttegunda í ný efnasambönd. Nituroxíð er gott dæmi. Nituroxíð verður til aðallega við brennslu eldsneytis, hvort sem er í bílum sem brenna bensíni eða raforkuverum sem brenna gasi og kolum. Þegar niturdíoxíð verður fyrir sólarljósi klofnar sameindin í nituroxíð og súrefnisfrumeind, þ.e. einfaldlega í eina frumeind súrefnis. Súrefnisfrumeindin hvarfast við súrefnissameind (tvær súrefnisfrumeindir sameinaðar sem O₂-sameind) og myndar óson (O₃) sem er hættulegt vistkerfinu og heilsu manna og er eitt helsta mengunarefnið í öllum iðnvæddum löndum.

En á níunda áratugnum, þurftum við þá ekki óson til að vernda okkur fyrir of mikilli geislun frá sólinni?

Það er rétt. En ósonið í ósonlaginu er í heiðhvolfinu í á milli 10 og 50 km hæð yfir yfirborði jarðar þar sem það veitir vörn gegn útfjólublárri geislun. Hins vegar er lægra staðsetta ósonið - sem almennt er nefnt jarðbundið óson - ógn við heilsu manna, uppskeru og annan viðkvæman gróður.

Óson er öflugur oxari. Það fer inn í jurtir í gegnum lítil loftaugu í laufunum. Jurtin gleypir það í sig og til verða sindurefni - óstöðugar sameindir sem skaða himnur og prótein. Í jurtum eru háþróuð kerfi til að glíma við sindurefni. En ef jurt þarf að verja hluta orkunnar sem það virkjar úr sólarljósinu með ljóstillífun til að gera við frumuskaða af völdum sindurefna hefur hún minni orku til að vaxa. Þegar akurplöntur verða þannig fyrir ósoni gefa þær minna af sér. Um alla Evrópu, Norður-Ameríku og Asíu dregur óson úr landbúnaðarframleiðslu.

Efnaferlar ósons í mönnum eru allsvipaðir efnaferlum ósons í jurtum nema hvað við tökum upp óson í  gegnum slímhúðina í lungunum. Það myndar sindurefni í slímhúð lungnanna og skaðar lungnastarfsemina. Fólk með skerta öndun er þannig í mestri hættu af ósoni. Sé litið á tölfræðina, hækkar  dánartíðni fólks á tímabilum þegar styrkur ósons er hár.

Þar sem þessar lofttegundir eru skammlífar, ætti mikil minnkun niturdíoxíðs ekki að leiða til snöggrar lækkunar á ósonstyrk?

Fræðilega ætti það að gerast. Ef dregið er úr losun ætti ósonstyrkur að minnka. En óson myndast frá yfirborði jarðar og alla leið upp í um 10 km hæð þannig að það eru verulegar birgðir af ósoni þarna uppi. Þótt við hættum allri losun myndi líða mánuður eða svo þar til náttúrulegum styrk ósons yrði náð.

En jafnvel þótt allri losun í Evrópu yrði hætt, drægi það í raun ekki úr því hvað við erum útsett fyrir ósoni. Hluti af ósoni í Evrópu á uppruna sinn í losun innan Evrópu en Evrópubúar verða einnig fyrir ósoni sem berst frá Kína, Indlandi og Norður-Ameríku. Niturdíoxíð er skammlíf lofttegund en ósonið sem það á þátt í að mynda getur varað lengur og hefur því tíma til að berast með vindum um allan heim. Með einhliða ákvörðun ESB myndu sumir hæstu toppar ósonmyndunar yfir Evrópu lækka en það hefði aðeins lítisháttar áhrif á birgðir heimsins, því Evrópa er aðeins einn framleiðandi af mörgum.

Það eru ósonvandamál í Evrópu, Norður-Ameríku, Kína, Indlandi og Japan. Meira að segja í ríkjum á borð við Brasilíu sem þróast hratt (þar sem brennsla lífmassa og útblástur ökutækja inniheldur forlofttegundir ósons) eru ósonvandamál. Hreinustu heimshlutarnir hvað varðar ósonmyndun eru afskekkt hafsvæði.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

Er óson eina áhyggjuefnið?

Agnúðar (aerosols) eru einnig miklir mengunarvaldar og skipta meira máli en óson. Agnúðar í þessu samhengi eru ekki sambærilegir þeim úðaefnum í úðabrúsum sem neytendur kaupa yfirleitt t.d. með svitalyktareyðum og hreinsiefnum sem hægt er að kaupa í matvörubúðum. Fyrir efnafræðinga eru agnúðar litlar agnir í andrúmsloftinu sem nefnast einnig svifryk (PM). Þeir geta verið á föstu eða fljótandi formi. Sumar agnanna breytast í dropa í röku lofti og verða síðan aftur fastar agnir þegar loftið þornar. Agnúðar tengjast hækkun á dánartíðni meðal manna og í mestri hættu er fólk með öndunarfæravandamál. Svifryk í andrúmslofti veldur meiri heilsufarsáhrifum en óson.

Mörg mengunarefna sem myndast við umsvif manna eru losuð sem lofttegundir. Til dæmis er brennisteinn yfirleitt losaður sem brennisteinsdíoxíð (SO₂) á meðan nitur er losað sem niturdíoxíð (NO₂) og/eða ammoníak (NH₃). En þegar þessar lofttegundir eru einu sinni komnar í andrúmsloftið breytast þær í agnir. Þetta ferli breytir brennisteinsdíoxíði í súlfatagnir sem eru aðeins brot úr míkroni á stærð.

Ef það er nóg ammóníak í loftinu hvarfast súlfatið og verður að ammoníumsúlfati. Sé litið á loftið yfir Evrópu fyrir 50 árum var ammoníumsúlfat áberandi efnisþáttur. Dregið hefur úr brennisteinslosun yfir Evrópu - um 90% frá árinu 1970.

En þó að brennisteinslosun hafi minnkað hefur ekki dregið nándar nærri eins mikið úr ammoníakslosun. Þetta þýðir að ammoníakið í andrúmsloftinu hvarfast við önnur efni. Til dæmis ummyndast NO₂ í andrúmsloftinu yfir í saltpéturssýru og sú saltpéturssýra hvarfast við ammoníak og gefur af sér ammóníumnítrat.

Ammoníumnítrat er mjög óstöðugt. Ofar í lofthjúpnum er ammoníumnítrat ögn eða smádropi en á heitum degi og nálægt yfirborðinu klofnar ammoníumnítrat í saltpéturssýru og ammoníak og falla bæði efnin mjög hratt út á yfirborð jarðar.

Hvað gerist ef saltpéturssýra fellur út á yfirborð jarðar?

Saltpéturssýra bætir við nitri á yfirborð jarðar og verkar í raun sem áburður á plöntur. Á þennan hátt berum við á náttúrulegt umhverfi Evrópu úr lofthjúpnum á sama hátt og bændur bera á akra. Viðbótar nitrið sem verkar sem áburður á náttúrulegt landslag leiðir til súrnunar og aukinnar losunar nituroxíðs en eykur einnig vöxt skóga og er þannig bæði ógn og ávinningur. Mestu áhrif nitursins sem fellur út yfir náttúrulegt landslag eru þau að auka næringarefnaákomu á náttúruleg vistkerfi. Þess vegna vaxa og dafna niturhungraðar jurtir mjög hratt og hafa undir tegundir er vaxa hægar. Þetta leiðir til missis sérhæfðari tegunda sem hafa lagað sig að lífi í loftslagi með litlu nitri. Nú þegar má sjá breytingu á líffræðilegum fjölbreytileika gróðurs víða í Evrópu vegna áburðargjafar yfir álfuna úr andrúmsloftinu.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

„Fólk reynir að skapa hagstæðustu skilyrði í umhverfinu fyrir góða líðan. Gæði loftsins sem fólk andar að sér hefur veruleg áhrif á líf þess og vellíðan.” Cesarino Leoni, Ítalíu

Við fjölluðum um brennisteinslosun og ósonlagið. Hvers vegna höfum við ekki rætt ammóníumvandann?

Ammoníakslosun kemur frá landbúnaði og sérstaklega mjólkurframleiðslu með þaulræktun. Hland og mykja frá kúm og sauðfé í bithögum leiða til losunar á ammóníaki út í andrúmsloftið. Ammónákið er mjög hvarfgjarnt og fellur greiðlega út yfir landslagið. Það myndar einnig ammóníumnítrat og leggur mikið til efnisagna í andrúmslofti og tengdum heilsufarsvandamálum hjá fólki. Megnið af því ammoníaki sem við losum í Evrópu fellur út yfir Evrópu. Sterkari pólitískan vilja vantar til að koma á stýringu til að draga úr ammoníakslosun.

Athyglisvert er að í tilviki brennisteins var pólitíski viljinn til staðar. Ég held að þetta hafi að hluta orsakast af siðgæðiskennd stóru losunarlandanna í Evrópu gagnvart viðtökulöndunum á Norðurlöndum þar sem megnið af vandamálunum tengdum súrum útfellingum kom upp.

Minnkun ammoníakslosunar myndi þýða að herja þyrfti á landbúnaðargeirann en þrýstihópar landbúnaðarins hafa frekar mikil pólitísk áhrif. Það er ekkert öðruvísi í Norður-Ameríku. Losun ammoníaks er einnig stórt vandamál í Norður-Ameríku og þar er heldur engin viðleitni til að koma böndum á hana.

Frekari upplýsingar

• Um efnafræði andrúmsloftsins: Loftslagsalfræðiorðabók ESPERE