En fråga om kemi

Är alla gaser av betydelse för miljön?

Många av gaserna i luften är inte särskilt viktiga ur kemisk synvinkel. Vissa spårgaser som koldioxid och dikväveoxid reagerar inte särskilt lätt i luften och därför klassificeras de som långlivade gaser. Kväve som är huvudbeståndsdelen i luft är också till stor del inaktivt i atmosfären. Långlivade spårgaser finns i ungefär samma koncentrationer över hela världen. Om man tar ett prov på norra halvklotet och ett prov på södra halvklotet skulle det inte vara någon större skillnad när det gäller mängden av dessa gaser i luften.

Koncentrationerna av andra gaser, såsom svaveldioxid, ammoniak och oxidanter som är känsliga för solljus, till exempel ozon, är dock mycket mer varierande. Dessa gaser utgör ett hot mot miljön och människors hälsa, och eftersom de reagerar så snabbt i atmosfären är de inte långlivade i sin ursprungliga form. De reagerar snabbt och bildar andra föreningar eller försvinner genom att deponeras på marken. De är kortlivade gaser. De finns därför närmare de platser där de släpptes ut eller bildades genom kemisk reaktion. Satellitbilder för fjärranalys visar ”hotspots” av dessa kortlivade gaser i vissa delar av världen, oftast i industrialiserade områden.

Hur kan dessa kortlivade gaser skapa problem för luftkvaliteten och miljön?

Många av de kortlivade gaserna är giftiga för människor och vegetation. I atmosfären omvandlas de också lätt till andra föroreningar, ibland genom solljusets inverkan. Solenergin kan splittra många av dessa reaktiva kortlivade gaser till nya kemiska föreningar. Kvävedioxid är ett bra exempel. Kvävedioxid bildas främst genom förbränning av bränsle i bensindrivna bilar eller i elkraftverk som eldas med gas och kol. När kvävedioxid utsätts för solljus splittras ämnet och bildar två nya kemiska föreningar: kväveoxid och det som kemisterna kallar atomärt syre. Atomärt syre är helt enkelt en enda syreatom.

Atomärt syre reagerar med molekylärt syre (två syreatomer som förenats som O2-molekyler) för att bilda ozon (O3). Ozon är toxiskt för ekosystemen och skadar människors hälsa. Det är en av de viktigaste miljöföroreningarna i alla industrialiserade länder.

Behövde vi inte ozon för att skydda oss mot för mycket strålning från solen på 1980-talet?

Jodå. Men ozonet i ozonskiktet finns i stratosfären på mellan 10 km and 50 km höjd ovanför jordytan, där det ger skydd mot UV-strålning. Ozonet på lägre nivåer – som brukar kallas för marknära ozon – är dock ett hot mot människors hälsa, grödor och annan känslig vegetation.

Ozon är en verksam oxidant. Det kommer in i växterna via små porer i löv och blad. Det absorberas av växten och genererar fria radikaler – instabila molekyler som skadar membran och protein. Växter har sofistikerade mekanismer för att försvara sig mot fria radikaler. Om en växt måste ägna en del av den energi som den tar upp från solljuset och fotosyntesen åt att reparera cellskador som orsakas av fria radikaler har den mindre energi över till att växa. När grödor utsätts för ozon blir de därför mindre produktiva. I hela Europa, Nordamerika och Asien minskas skördarna i jordbruket på grund av ozon.

Ozonets kemi i människokroppen påminner ganska mycket om ozonets kemi i växter. I stället för att ta sig in via porer på växtens yta, absorberas ozon via lungvävnaden. Det skapar fria radikaler i lungvävnaden och skadar lungfunktionen. De människor som löper störst risk när de utsätts för ozon är därför de som har nedsatt andningsfunktion. Om man tittar på statistiken sammanfaller perioder med höga ozonhalter med en ökning av antalet dödsfall per dag.

Skulle inte en drastisk minskning av utsläppen av kvävedioxid leda till en snabb minskning av ozonnivåerna eftersom dessa gaser är så kortlivade?

Jo, i princip. Om vi minskar utsläppen skulle ozonnivåerna börja sjunka. Men ozon bildas både mycket nära jordytan och hela vägen upp till en höjd på omkring 10 km. Därför finns det fortfarande ganska mycket bakgrundsozon där uppe. Om vi helt stoppar utsläppen skulle det ta månader innan vi kom tillbaka till naturliga ozonnivåer.

Man även om Europa vidtar åtgärder mot utsläppen skulle det egentligen inte minska vår exponering för ozon. En del av ozonet som kommer in i Europa härrör från ozon som genereras från europeiska utsläpp. Men Europa är också utsatt för ozon som transporteras hit från Kina, Indien och Nordamerika. Kvävedioxid är i sig en kortlivad gas, men det ozon som det bildar kan vara längre och har därför tid på sig att transporteras runt i världen av vindarna. Ett ensidigt EU‑beslut skulle minska en del av topparna av ozonproduktion över Europa, men skulle bara ge ett litet bidrag till den globala bakgrunden eftersom Europa bara är en av många som bidrar.

Europa, Nordamerika, Kina, Indien och Japan har alla ozonproblem. Även länder som Brasilien med snabbt växande ekonomier (där ozonprekursorgaser släpps ut från förbränning av biomassa och fordon) har ozonproblem. Den renaste delen av världen när det gäller ozonproduktion är avlägset belägna havsområden.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

Är ozon det enda orosmolnet?

Aerosoler är den andra viktiga föroreningen och är mer omfattande än ozon. Aerosoler i detta sammanhang är inte det som konsumenter vanligtvis tänker på när de hör ordet aerosoler, till exempel deodoranter och möbelsprej som kan köpas i stormarknaden. För kemister är aerosoler små partiklar i atmosfären, med en engelsk förkortning PM (particulate matter). De kan vara fasta eller flytande och vissa av partiklarna blir droppar i fuktig luft och återgår sedan till att vara fasta partiklar när luften torkar. Aerosoler är förknippade med höga dödstal och personer med luftvägsproblem löper störst risk. Partiklar i atmosfären har större hälsoeffekter än ozon.

Många av de föroreningar som människans verksamheter ger upphov till släpps ut som gaser. Svavel släpps exempelvis oftast ut som svaveldioxid (SO2) och kväve släpps ut som kvävedioxid (NO2) och/eller ammoniak (NH3). När gaserna väl finns i atmosfären omvandlas de till partiklar. I denna process omvandlas svaveldioxid till sulfatpartiklar, som inte är större än en bråkdel av en mikrometer.

Om det finns tillräckligt med ammoniak i luften reagerar sulfatet och bildar ammoniumsulfat. Om man tittade på luften över Europa för 50 år sedan var ammoniumsulfat en verkligt dominerande beståndsdel. Vi har dock minskat svavelutsläppen över Europa betydligt – med ungefär 90 procent sedan 1970-talet.

Även om vi har minskat svavelutsläppen har vi inte på långa vägar minskat ammoniakutsläppen lika mycket. Det innebär att ammoniak i atmosfären reagerar med andra ämnen. Bland annat NO2 i atmosfären ombildas till salpetersyra, som i sin tur reagerar med ammoniak och producerar ammoniumnitrat.

Ammoniumnitrat är mycket flyktigt. Högre upp i atmosfären är ammoniumnitrat en partikel eller droppe, men under varma dagar och nära jordytan splittras ammoniumnitrat till salpetersyra och ammoniak, som båda mycket snabbt avsätts på jordytan.

Vad händer om salpetersyra avsätts på jordytan?

Salpetersyra ger ett tillskott av kväve till jordytan och fungerar som ett verksamt gödningsämne för våra växter. På så sätt gödslar vi naturmiljön i Europa från atmosfären på samma sätt som jordbrukarna gödslar sina åkrar. Detta kvävetillskott till naturlandskapet leder till försurning och till ökat dikväveoxidutsläpp, men ökar också skogarnas tillväxt och är alltså både ett hot och en fördel. Den största effekten av kvävedepositionen i naturen är att de naturliga ekosystemen får extra näringsämnen. Följden blir att kvävehungriga växter växer mycket snabbt och frodas och konkurrerar ut långsamväxande arter. Detta leder till förlust av mer specialiserade arter, som har anpassat sig till en omgivning med låga kvävenivåer. Vi kan redan se en förändring i florans biologiska mångfald i Europa därför att vi gödslar kontinenten från atmosfären.

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

"Vi försöker alla skapa bästa möjliga miljöbetingelser för vårt välbefinnande. Kvaliteten på luften vi andas har stor betydelse för våra liv och vårt välbefinnande"
Cesarino Leoni, Italien

Vi har lyckats att ta itu med svavelutsläpp och ozonskiktet. Varför har vi inte lyckats ta itu med ammoniakproblemet?

Ammoniakutsläppen härrör från jordbrukssektorn och särskilt från intensiv mjölkproduktion. Urin och gödsel från kor och får på fälten leder till ammoniakutsläpp till atmosfären. Det är mycket reaktivt och avsätts lätt i landskapet. Det bildar också ammoniumnitrat och är en viktig bidragsgivare till partiklar i atmosfären och förknippas med hälsoproblem hos människor. Största delen av den ammoniak som vi släpper ut i Europa deponeras i Europa. Det måste finnas en stark politisk vilja att införa kontrollåtgärder för att minska ammoniakutsläppen.

Intressant nog fanns absolut den politiska viljan när det gäller svavel. Jag tror att det delvis berodde på en känsla av moralisk skyldighet bland de stora utsläppsländerna i Europa gentemot de skandinaviska länderna som var nettomottagare och som hade de största problemen med sur deponering.

Att minska ammoniakutsläppen skulle innebära en inriktning på jordbrukssektorn, och jordbrukslobbyn har ganska stort inflytande i politiska kretsar. Det är inte annorlunda i Nordamerika. Där har man också stora problem med ammoniakutsläpp och inte heller där vidtas några åtgärder för att kontrollera dem.

Mer information

Om atmosfärskemi: ESPERE Climate Encyclopaedia