Een kwestie van chemie

Zijn alle gassen even gevaarlijk voor het milieu?

Veel gassen in de lucht zijn uit chemisch oogpunt niet echt belangrijk. Sommige sporengassen, zoals kooldioxide en stikstofoxide, gaan in de lucht maar moeilijk een reactie aan, waardoor ze als langlevende gassen worden gekwalificeerd. Ook stikstof, het belangrijkste bestanddeel van lucht, is grotendeels bewegingsloos in de atmosfeer. De concentraties van langlevende gassen in de lucht zijn over de hele wereld min of meer gelijk. Als je zowel op het noordelijk als het zuidelijk halfrond een luchtstalen zou nemen, zouden die stalen wat de hoeveelheid langlevende gassen betreft, niet erg verschillen.

De concentratie van andere gassen, zoals zwaveldioxide, ammoniak en zonlichtgevoelige oxidanten zoals ozon, is veel variabeler. Die gassen vormen wel een ernstige bedreiging voor mens en milieu. Omdat ze in de atmosfeer zo reactief zijn, bestaan ze maar even in hun oorspronkelijke vorm. Ze reageren binnen korte tijd met andere elementen om een nieuwe verbinding aan te gaan of dalen naar het aardoppervlak. Deze gassen worden kortlevende gassen genoemd. Vandaar dat ze worden aangetroffen dicht bij de plek waar ze werden uitgestoten of uit een chemische reactie zijn ontstaan. Op beelden van teledetectiesatellieten is goed te zien hoe deze kortlevende gassen in bepaalde delen van de wereld, doorgaans geïndustrialiseerde gebieden, 'hot spots' vormen.

Hoe kunnen kortlevende gassen de luchtkwaliteit en het milieu aantasten?

Veel van deze kortlevende gassen zijn schadelijk voor de volksgezondheid en de plantenwereld. Ze worden in de atmosfeer gemakkelijk omgezet in andere vervuilende stoffen. Bij sommige gassen gebeurt dat onder invloed van het zonlicht. De energie van de zon kan veel van deze reactieve kortlevende gassen in nieuwe chemische verbindingen splitsen. Een goed voorbeeld hiervan is stikstofdioxide. Stikstofdioxide ontstaat vooral bij de verbranding van brandstof, of die verbranding nu in de verbrandingsmotor van een auto of in een kolen- of gasgestookte energiecentrale gebeurt. Wanneer stikstofdioxide in de lucht wordt blootgesteld aan zonlicht, wordt het gas gesplitst in twee nieuwe chemische verbindingen: stikstofmonoxide en wat scheikundigen 'atomische zuurstof' noemen. Atomische zuurstof is gewoon een enkel zuurstofatoom. Atomische zuurstof reageert met moleculaire zuurstof (twee zuurstofatomen die zijn gecombineerd tot een O₂-molecuul) en vormt zo ozon (O₃), dat schadelijk is voor ecosystemen en de volksgezondheid en in alle geïndustrialiseerde landen behoort tot de belangrijkste vervuilende stoffen.

Maar hadden we in de jaren tachtig ozon niet nodig om ons tegen de straling van de zon te beschermen?

Dat klopt. Maar, ozon in de ozonlaag bevindt zich in de stratosfeer, op tien tot vijftig kilometer hoogte boven het aardoppervlak, waar ozon het leven op aarde beschermt tegen de ultraviolette straling van de zon. Ozon in de lagere lagen van de atmosfeer – gewoonlijk aangeduid als ozon op leefniveau – vormt daarentegen een bedreiging voor de volksgezondheid en voor gewassen en andere kwetsbare planten.

Ozon is een krachtige oxidant. Het dringt planten binnen via de kleine poriën in de bladeren. Nadat het door de plant is geabsorbeerd, genereert het vrije radicalen – instabiele moleculen die de membranen en eiwitten van de plant beschadigen. Planten beschikken over verfijnde mechanismen om vrije radicalen onschadelijk te maken. Maar als een plant alle uit zonlicht en fotosynthese aangemaakte energie moet gebruiken om de door vrije radicalen aangerichte celschade te herstellen, kan ze niet groeien. Gewassen die worden blootgesteld aan ozon zijn dus minder productief. Overal in Europa, Noord-Amerika en Azië hebben landbouwers te maken met kleinere oogsten door ozon.

In mensen werkt ozon op vergelijkbare wijze als in planten. Eigenlijk is het enige wezenlijke verschil dat ozon bij planten via de poriën binnendringt en bij de mens via het longvlies wordt geabsorbeerd. Het genereert daar vrije radicalen die de longfunctie aantasten. De mensen die bij blootstelling aan verhoogde ozonconcentraties het grootste risico lopen, zijn dus mensen met een ademhalingsstoornis. Als je naar de statistieken kijkt, zie je tijdens ozonpieken een verhoogd sterftecijfer.

Aangezien deze gassen kortlevend zijn, zou een drastische vermindering van de uitstoot van stikstofdioxiden toch tot een snelle daling van de ozonconcentraties moeten leiden?

In principe is dat juist. Als we de uitstoot verminderen, zullen de ozonconcentraties beginnen te dalen. Het probleem is dat ozon ontstaat in een gebied van vlak boven het aardoppervlak tot een hoogte van ongeveer tien kilometer. Er bevindt zich daarboven dus nog steeds een vrij grote hoeveelheid ozon op de achtergrond. Als we nu helemaal niets meer zouden uitstoten, zou het ongeveer een maand duren voordat de ozonconcentraties weer op het natuurlijke niveau zouden zijn.

Als Europa verminderingsmaatregelen alleen zou nemen, zou dat onze blootstelling aan ozon niet echt verminderen. Een deel van de ozon die Europa binnenkomt, is ontstaan uit Europese uitstoot. Maar, Europa wordt ook blootgesteld aan ozon die uit China, India en Noord-Amerika wordt aangevoerd. Stikstofdioxide zelf is een kortlevend gas, maar de ozon die daarmee wordt gevormd is langlevend en kan daarom door de wind over de hele wereld worden meegevoerd. Een eenzijdig besluit van de Europese Unie zou enkele van de pieken in de ozonproductie boven Europa verminderen, maar slechts een kleine bijdrage leveren aan de vermindering van de wereldwijde ozon op de achtergrond, omdat Europa maar één bron van vele is.

Europa, Noord-Amerika, China, India en Japan hebben allemaal een ozonprobleem. Zelfs snel groeiende ontwikkelingslanden als Brazilië (waar ozonprecursoren vrijkomen bij de verbranding van biomassa en uit auto's worden uitgestoten) hebben een ozonprobleem. De schoonste delen van de wereld wat ozonproductie betreft zijn de afgelegen oceaangebieden.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

Hoeven we ons alleen om ozon ongerust te maken?

Aerosol is de andere grote vervuilende stof, nog veel groter dan ozon. Als consumenten in de supermarkt een aerosolvrije deodorant of meubelspray kopen, hebben ze doorgaans een ander idee van aerosolen dan een scheikundige. Voor een scheikundige zijn aerosolen kleine deeltjes die in de atmosfeer zweven. Ze kunnen vast of vloeibaar zijn. Sommige aerosolen veranderen in vochtige lucht in druppeltjes en nemen bij het droger worden van de lucht weer vaste vorm aan. Aerosolen worden in verband gebracht met verhoogde sterftecijfers, vooral bij mensen met ademhalingsproblemen. Ze zijn schadelijker voor de gezondheid dan ozon.

Van de vervuilende stoffen die ontstaan door menselijke activiteiten worden er veel als gas uitgestoten. Sulfaat bijvoorbeeld wordt gewoonlijk als zwaveldioxide (SO₂) uitgestoten en stikstof als stikstofdioxide (NO₂) en/of ammoniak (NH₃). Maar als ze eenmaal in de atmosfeer zijn, worden deze gassen omgevormd tot vaste deeltjes. Daarbij ontstaan uit zwaveldioxide zwaveldeeltjes die niet groter zijn dan een fractie van een micron.

Als er genoeg ammoniak in de lucht zit, reageert het sulfaat met die ammoniak tot ammoniumsulfaat. Vijftig jaar geleden was ammoniumsulfaat echt een overheersend bestanddeel van de lucht boven Europa. Maar sinds de jaren zeventig hebben we de zwaveluitstoot in Europa sterk verminderd - met ongeveer 90%.

De uitstoot van ammoniak is echter bij lange niet zoveel verminderd als die van zwavel. Dat betekent dat de ammoniak in de atmosfeer met andere stoffen reageert. Stikstofdioxide, bijvoorbeeld, wordt in de atmosfeer omgezet in salpeterzuur, dat met ammoniak reageert tot ammoniumnitraat.

Ammoniumnitraat is zeer vluchtig. Hoger in de atmosfeer is ammoniumnitraat een deeltje of druppeltje, maar op een warme dag en dicht bij het aardoppervlak splitst het in salpeterzuur en ammoniak, die beide heel snel op het aardoppervlak neerdalen.

Wat gebeurt er als salpeterzuur op het aardoppervlak neerdaalt?

Salpeterzuur dat neerdaalt, voegt stikstof aan de bodem toe en dient als kunstmest voor planten. Zo wordt het natuurlijk milieu van Europa vanuit de atmosfeer op dezelfde manier 'bemest' als dat landbouwers hun akkers bemesten. Het aanvullende stikstof dat het natuurlijk milieu 'bemest', veroorzaakt verzuring en leidt tot een verhoogde uitstoot van lachgas, maar het bevordert ook de groei van bossen. Het is dus zowel een vloek als een zegen. Het grootste effect van de stikstof die op het natuurlijke landschap neerdaalt, is dat het extra voedingsstoffen aan natuurlijke ecosystemen toevoegt. Als gevolg hiervan groeien de 'stikstofhongerige' planten sneller en overwoekeren de andere planten. Dit leidt tot verlies aan meer gespecialiseerde soorten die alleen op stikstofarme gronden kunnen gedijen. Nu al kunnen we zien hoe de verscheidenheid aan flora overal in Europa vermindert doordat we het continent vanuit de atmosfeer extra bemesten.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

"We proberen allemaal in onze leefomgeving optimale voorwaarden voor ons welbevinden te creëren. De kwaliteit van de lucht die we inademen, is van grote invloed op ons leven en ons welbevinden."
Cesarino Leoni, Italië

Waarom hebben we wel iets gedaan aan zwaveluitstoot en de aantasting van de ozonlaag, maar niet aan het ammoniakprobleem?

Ammoniakuitstoot is afkomstig van de landbouw, in het bijzonder de intensieve melkveehouderij. Uit urine en mest van koeien en schapen op de velden komt ammoniak vrij. Ammoniak is zeer reactief en daalt vlug neer op het landschap. Het vormt ook ammoniumnitraat en levert een belangrijke bijdrage aan fijnstofdeeltjes in de atmosfeer en de daaraan gekoppelde gezondheidsproblemen. Het grootste deel van de ammoniak die we in Europa uitstoten, daalt in Europa neer. Er is een grotere politieke bereidheid nodig voor maatregelen om de uitstoot van ammoniak te verminderen.

Interessant genoeg was die bereidheid er in het geval van zwavel wel. Dat kwam volgens mij vooral doordat de grote uitstootlanden in Europa zich moreel verplicht voelden jegens de netto-ontvangende Scandinavische landen, waar de problemen met zure neerslag verreweg het grootste waren.

Vermindering van de ammoniakuitstoot zou ingrijpende maatregelen van de landbouwsector vereisen, maar de landbouwlobby's hebben in politieke kringen een vrij grote invloed. In Noord-Amerika is dat niet anders. Ook daar vormt ammoniakuitstoot een groot probleem maar worden geen verminderingsmaatregelen genomen.

Meer informatie

Over atmosferische chemie: ESPERE Climate Encyclopaedia