Stratosferde Fotokimyasal Reaksiyonlar ve Ozon

Transkript

1

2 Stratosferde Fotokimyasal Reaksiyonlar ve Ozon Ozon tabakasının incelmesi/delinmesi Ozon tabakasının delinmesine/incelmesine yol açan bileşiklerin başlıcaları halojenli bileşiklerdir. Etkin giderme mekanizmaları olmadığı için bu bileşiklerin troposferdeki ömürleri oldukça uzundur (1-100 Yıl): Halojenli bileşiklerin stratosferdeki kaynağı troposferden düşey akımlar vasıtasıyla olan taşınımdır. 2

3 Stratosferde Fotokimyasal Reaksiyonlar ve Ozon Ozon tabakasının delinmesi Klorun stratosferdeki başlıca kaynakları: 3

4 Stratosferde Fotokimyasal Reaksiyonlar ve Ozon Ozon tabakasının delinmesi Bromun stratosferdeki başlıca kaynakları: 4

5 Ozon tabakasının yoğunluğunun yıllara göre değişimi 5

6 Stratosferde Fotokimyasal Reaksiyonlar ve Ozon Ozon tabakasının delinmesi 6

7 Stratosferde Fotokimyasal Reaksiyonlar ve Ozon Ozon tabakasının delinmesi Halojen radikalleri organik bileşiklerin fotolizi ile açığa çıkar: Klor ve brom çevrimleri ozonu tüketir: 7

8 Stratosferde Fotokimyasal Reaksiyonlar ve Ozon Ozon tabakasının delinmesi Klor ve brom çevrimleri ozonu tüketir: 8

9 Stratosferde Fotokimyasal Reaksiyonlar ve Ozon Ozon tabakasının delinmesi Polar Stratosferik Bulutlar (PSC): Stratosferde su buharı az olmasına rağmen kutuplardaki düşük sıcaklıklarda yoğuşarak PSC leri oluşturabilmektedir. Bu bulutlar, halojen içeren türleri, ozon tüketen aktif türlere dönüştüren ortamlardır. Bu nedenle kutuplardaki ozon deliğinin nedeni oldukları düşünülmektedir. 9

10 Stratosferde Fotokimyasal Reaksiyonlar ve Ozon Ozon tabakasının delinmesi ClO ve O 3 konsantrasyonlarının enlemlere göre değişimi. 10

11

12 Asit çökelmesi Asit Yağışları SO x ve NO x ler atmosferde gaz fazda ve sulu fazda oksitlenerek sülfürik asit (H 2 SO 4 ) ve nitrik asit (HNO 3 ) oluştururlar. Organik maddelerin de oksidasyonu ile organik asitler (formik-hcooh ve asetik asit-ch 3 COOH gibi) oluşabilir. Bu reaksiyonlar sonucu oluşan asitler atmosferde gaz, partikül ve sulu fazda bulunabilirler. Bu asidik türler atmosferden kuru ve yaş çökelme gibi mekanizmalarla uzaklaştırılıp yeryüzüne taşınırlar. Bu prosese genel olarak asit çökelmesi adı verilir. 12

13 Asit Yağışları Asit çökelmesi Asidik kirleticilerin yağış yoluyla çökelmesi asit yağmuru olarak adlandırılır. Asit çökelmesi, asit yağmuru, asidik gaz ve partiküllerin kuru çökelmesi ve sis damlacıklarının çökelmesi gibi prosesleri kapsar. Ancak tarihsel olarak araştırmalar yağmur suyunun bileşimi üzerinde odaklandığı için tüm proses asit yağmurları olarak adlandırılmıştır. 13

14 Problemin tanımı Asit Yağışları Başka hiçbir kirleticinin bulunmadığı bir atmosferdeki yağmur damlasının ph ı atmosferdeki karbon dioksitin (350 ppm) çözünmesi nedeniyle 5.6 civarındadır. Ancak daha önce sözü edilen asidik türlerin de çözünmesiyle yağmur suyunun ph ı bu değerin altına inebilir. Bu nedenle bir yağışın asidik olarak tanımlanması için ph ının 5.6 dan düşük olması gerekir. 14

15 Asit Yağışları Yağış asiditesinin küresel dağılımı 15

16 Asit Yağışları Problemin tanımı Dünyada, yağış için ölçülen ph değerlerinin arasında değiştiği görülmektedir. Dünyanın bir çok yerinde yağış ph ının 6 dan büyük olduğu gözlenmektedir. Bu da yağışın gerçekte alkali olduğunu göstermektedir. Bunun nedeni çöl tozlarında bulunan alkali türlerin yağıştaki asidi nötralize etmesidir. Okyanuslar üzerinde ve antropojenik kaynaklardan çok uzak noktalarda, asidik ve çok asidik yağışlara rastlanılmaktadır. NH 3 ve CaCO 3 gibi bazik türlerin bulunmaması durumunda, doğal kaynaklardan yayınlanan asidik kirleticilerin yağmur suyu ph ını 5.0 civarına indirebileceği öne sürülmüştür. 16

17 Asit Yağışları Problemin tanımı Bu nedenle bir yağışın asidik olarak tanımlanması için ph ının 5.6 dan düşük olması gerekir tanımının 5.0 dan düşük olması gerekir şeklinde düzeltilmesi uygundur. Sadece yağış ph ının ölçülmesi asit yağışlarının nedenlerinin anlaşılması, doğal veya antropojenik olduklarının belirlenmesi için yeterli değildir. Bunun için yağışın kimyasal bileşiminin de belirlenmesi gerekir. Bazı uzak bölgelerde organik asitlerin de yağışın asiditesine önemli ölçüde (%50 den fazla) katkıda bulunabildiği gösterilmiştir. 17

18 Asit yağışı verileri ve trendler Uzak bölgeler: 18

19 Asit yağışı verileri ve trendler Avrupa daki yağışların ph dağılımları: 19

20 Kuzey Amerika daki yağışların ph dağılımları: 20

21 Kuzey Amerika daki yağışların ph dağılımları: 21

22 Tarihsel eğilimler: ÇİN Asit yağışlarındaki eğilimler genel olarak azot oksit ve kükürt dioksit emisyonlarındaki değişimler (artış veya azalmalar) ile paralellik göstermektedir. 22

23 Tarihsel eğilimler Kuzey Avrupa (SO 2 çökelmesi, ton/yıl) 23

24 Asit çökelmesinin etkileri 24

25 Asit çökelmesinin etkileri (1) Yüzeysel suların asitleşmesi ve bunun sonucu sucul ekosistemlerin zarar görmesi. Ca +2, Mg +2, Na + ve K + gibi katyonların göl sularında ve çevre topraklarında düşük konsantrasyonlarda olması durumunda göller asit yağışlarından çok daha fazla etkilenmektedir. 25

26 Asit çökelmesinin etkileri (2) Malzeme ve binaların (aynı zamanda tarihi eserlerin) zarar görmesi. (3) Ormanlar ve bitki örtüsünün zarar görmesi. 26

27 Sis damlacıklarının asit çökelmesindeki önemi Sis damlacıkları, yağmur suyu ve bulutlardaki su damlacıklarından çok daha fazla asidik olabilir. Yağışın nispeten az olduğu bazı bölgelerde sisin toplam asit çökelmesinde önemli bir payının olduğu gösterilmiştir. Yağmur suyu, bulut damlacıkları ve sis damlacıklarındaki anyon ve katyon konsantrasyonları (µeq/l) 27

28 Kuru ve yaş asit çökelmesinin relatif önemleri Genellikle yaş çökelmenin kuru çökelmeye kıyasla daha hızlı bir proses olduğu düşünülmektedir. Ancak kuru çökelme çok daha uzun sürelerde devam eder (yağışın olmadığı zamanlar). Bu nedenle yıllık bazda toplam çökelme göz önüne alındığında kuru çökelme de ıslak çökelme kadar hatta bazı durumlarda ondan daha önemli olabilir. SO 2 çökelmesi ile ilgili yapılan çalışmalar kuru çökelmenin havadaki konsantrasyonun yüksek olduğu kaynağa yakın bölgelerde baskın olduğunu, kaynaktan uzak bölgelerde ise yaş çökelme kadar önemli olduğunu göstermiştir. 28

29 Asidik türlerin oluşum prosesleri SO x lerin kaynak-alıcı ilişkileri. 29

30 Asidik türlerin oluşum prosesleri NO x lerin nitrik asit oluşturması: 30

31

32 İklim ve Atmosferin Kimyasal Bileşimi İklim: Havanın uygun bir zaman periyodundaki ortalama davranışı anlamına gelir. Uygun zaman periyodunun tanımı çok açık değildir. Çok kısa periyotlar yıldan yıla oluşan değişiklikleri, çok uzun periyotlar ise iklim değişiminin kendisini maskeleyebilir. Bu sakıncaları gidermek için 30 yıllık bir ortalama alma süresi yeterli kabul edilmiştir. En temel iklim değişkeni yeryüzünün yüzey sıcaklığıdır. Ancak yağış miktarı ve sıklığı da parametre olarak kullanılmaktadır. Yeryüzü tarafından uzaya yayınlanan ışınımın %80 kadarı 7-13 µm aralığındaki dalgaboyuna sahiptir. CO 2 haricindeki sera gazları (O 3, CH 4, N 2 O, kloroflorokarbonlar) bu dalgaboyu aralığındaki ışınımları güçlü bir şekilde absorblarlar. CO 2 ise 15 µm civarındaki ışınımları absorblar. Absorblanan bu ışınımlar atmosferin ısınmasına neden olur (sera etkisi). 32

33 İklim ve Atmosferin Kimyasal Bileşimi İklim zamansal ve makansal olarak değişim gösterir. Antropojenik olarak oluşan iklim değişikliğini ayırt edebilmenin yolu bunu doğal olarak oluşan iklim değişikliğinden ayıracak bir sinyal bulmaktır. Sera gazlarının ve partikül maddelerin etkisi sorgulanamayacak kadar açık ise de iklim değişikliği etrafındaki tartışmaların nedeni yukarıda sözü edilen sinyali ortaya çıkarmanın zorluğundan kaynaklanmaktadır. Bunun başlıca nedenlerinden birisi de sera gazlarının yanısıra partiküllerin de ışınımı absorblayarak veya yansıtarak, bulutluluğu ve bulutların yansıtma özelliklerini değiştirerek iklimi etkilemesidir. Kuzey yarıküredeki endüstrileşmiş bölgelerdeki partiküllerin soğutma etkisinin sera gazlarının ısıtma etkisini maskelediğine dair kanıtlar vardır. 33

34 Global sıcaklığın tarihsel değişimi (Şekildeki yeşil üçgenler önemli volkanik aktiviteleri göstermektedir) 34

35 Global sıcaklığın tarihsel değişimi 35

38 Güneş ışınımının tarihsel değişimi Güneş lekelerinin sayısı ve sonuçta ışınım yıldan yıla değişmektedir. 38

39 İklim ile ilişkili doğal ve antropojenik etkilerde son dört yüz yıldır gözlenen eğilimler 39

40 Işınım etkisi Işınım etkisi (radiative forcing), yeryüzünün toplam ışınım dengesinde değişikliğe neden olan etki (CO 2 ve aerosoller gibi) olarak adlandırılabilir. 40

41 Işınım etkisi Direkt Işınım etkisi (direct radiative forcing), yeryüzünün toplam ışınım dengesini doğrudan etkiler. Örnek: Atmosfere CO 2 eklenmesinin kızılötesi ışınımı absorblaması ve ısınmaya yolaçması. İndirekt ışınım etkisi ise, iklim sistemindeki bileşenlerden birisini değiştirerek dolaylı olarak etkili olur. Örneğin, atmosferdeki aerosollerin artışı içlerindeki su damlacıkları daha küçük olan bulutların artmasına neden olur. Bu bulutlar normal bulutlar kadar yağış oluşturmadıkları için atmosferde daha uzun süre kalırlar ve ışınımın absorblanması veya yansıtılmasına neden olurlar. 41

42 Global yıllık ortalama Işınım etkileri 42

43 Global yıllık ortalama Işınım etkileri Sera gazları (halokarbonlar, CO 2, N 2 O, CH 4 ) (+) Stratosferik ozon (O 3 ) (-) Troposferik ozon (O 3 ) (+) Sülfat (aerosolleri) (-) Fosil yakıtların yakılması (OC-organik karbon (-) ve BC-elementel karbon içeren partiküller (+) (FF) Biyomas yakılması (BB) (-) Mineral partiküller (+) veya (-) Troposferik aerosoller (-) Havacılık faaliyetleri (uçak egzozları) (+) Arazi kullanımı (-) Güneşten kaynaklanan etkiler (+) 43

44 Çeşitli sera gazlarının küresel ısınma potansiyelleri 44

45 Sera gazları: Konsantrasyonları (abundance), atmosferde kalış süreleri (lifetime) ve küresel ısınma potansiyelleri (GWP) 45

46 Sera gazları: Konsantrasyonları (abundance), atmosferde kalış süreleri (lifetime) ve küresel ısınma potansiyelleri (GWP) (devam) 46

47 Atmosfer Kimyası ve İklim Değişimi İklim değişimi atmosfer kimyasını da değiştirmektedir. Atmosfer kimyasında oluşan değişiklikler de iklim değişimine neden olabilmektedir. Örneğin küresel ısınma atmosferdeki su buharını arttırmaktadır. Bu da bir çok kimyasal proses sonucu OH konsantrasyonlarının değişimine veya kendisi de bir sera gazı olan troposferik ozon konsantrasyonlarının değişimine neden olabilir. İklim değişimi atmosferdeki çevrimlerde rol alan reaktif türleri etkileyen (kaynak veya azaltma şeklinde) biyolojik aktiviteleri de değiştirebilir. 47

48 Bulutların Işınım Etkisindeki Rolü Genel olarak yüksek bulutlar sera etkisi yaratarak yeryüzünün ısınmasına neden olurlar. Alçak bulutlar ise güneşten gelen ışınımı yansıtarak soğumaya neden olurlar. Bulutların ortalama net etkisi ise soğuma şeklinde gerçekleşir. 48

49 Partiküllerin İklim Değişimindeki Rolü Partiküller, ışınımı doğrudan (yansıtarak veya absorblayarak) veya dolaylı olarak (bulut oluşumunu değiştirerek) etkileyebilirler. Partiküllerin doğrudan ışınıma etkisinin büyüklüğü bulunulan enleme (ışınım geliş açısı), partiküllerin özelliklerine (boyutları, konsantrasyonları ve optik özelliklerine) bağlıdır. Partiküller radyasyonu hem absorblayabilir hem de dağıtabilir. Bu durum partiküllerin içerikleriyle ilişkilidir. Örneğin amonyum sülfat partikülleri ışınımı absorblarken, is partikülleri kısmen absorblayabilir. 49

50 Partiküllerin İklim Değişimindeki Rolü Atmosferdeki partiküllerin bileşimleri bu iki tip aerosolün karışımından oluşur. Hangi tür daha baskın ise net etki o yönde olabilir. 50

51 Partiküllerin İklim Değişimindeki Rolü Uzaya olan ışınımı absorblayan sera gazlarının aksine partiküller, ışınımı iki yönde etkileyebilirler (yansıtarak veya absorblayarak). 1 mikrondan küçük partiküller gelen ışınımı dağıtma konusunda oldukça etkindirler (soğutma etkisi). 51

52 Partiküllerin İklim Değişimindeki Rolü Farklı çaplara sahip olmaları nedeniyle mineral partikülleri (çöl tozu gibi) hem absorblama (kızıl ötesi ışınım bandında) hem de dağıtma/yansıtma etkisi (görünür ışınım bandında) yaratabilirler. Ancak net etki soğuma şeklinde gerçekleşir. Sera gazlarının atmosferdeki konsantrasyonları nispeten üniform olmasına rağmen, partiküllerin tür ve konsantrasyonları önemli bir yerel dağılım gösterir. Örneğin endüstriyel bölgeler üzerinde sülfat partikülleri, orman yangınları nedeniyle ormanlık alanlarda organik aerosoller hakim olabilir. Bu nedenlerle partiküllerin iklim değişimi üzerindeki etkileri de yerel değişiklikler gösterebilir. 52

53 Global yıllık ortalama Işınım etkileri 53