ÇEV 715 Atmosfer Kimyası Özgür ZEYDAN (PhD.) http://cevre.beun.edu.tr/zeydan/ Atmosfer Kimyası Neden Önemli? Atmosfere salınan antropojenik ve doğal emisyonların atmosferin fiziksel ve kimyasal yapısını nasıl değiştirdiğini anlamak için. Bu değişimlerin canlılar ve ekosistem üzerindeki etkilerini belirlemek için. 1
Atmosferik Reaksiyonların Sınıflandırılması Güneş ışığının etkisene göre: Fotokimyasal reaksiyonlar Termal reaksiyonlar Gerçekleştikleri fazlara göre: Homojen reaksiyonlar Heterojen reaksiyonlar A schematic overview of tropospheric chemistry P.S. Monks et al. (2009) Atmospheric composition change - global and regional air quality, Atmospheric Environment,43, 5268-5350 2
Önemli Atmosferik Olaylar Asit yağmurları Ozon tabakasının incelmesi Yer seviyesi ozonu oluşumu 3
Yağmur suyu ph değeri CO 2(aq) + H 2 O H 2 CO 3(aq) 310 / H 2 CO 3 H + + HCO 3 - HCO 3- H + + CO 3 2-! " # / $! %log )! " * 910 7 10 Yağmur suyu ph değeri CO 2 nin atmosferik koşullarda sudaki çözünürlüğü +, - # (Henry Kanunu) 012 3.410 (@ 298 K) 3.450 Eğer atmosferik CO 2 =280ppmv #. 6 17 0.00028 7! " # / 2.75 10 : $! %log )! " *5.56 4
Yağmur suyu ph değeri Eğer atmosferik CO 2 = 406.42 ppmv (Şubat 2017) (https://www.co2.earth/) #. = := 17 0.00040642 7! " # / 3.31 10 : $! %log )! " *5.48 Atmosferdeki CO 2 konsantrasyonundaki artış ile yağmursuyunun doğal ph değeri düşmektedir! Asit Yağmuru Sülfürük asit ve Nitrik asit nedeniyle yağmur suyunun ph ının 5.5 in altına düşmesi. H 2 SO 4(g) H 2 SO 4(aq) H + + HSO 4-2H + + SO -2 4 bisülfat sülfat HNO 3(g) HNO 3(aq) H + + NO - 3 nitrat Nitrik asit yüksek uçuculuğu sayesinde gaz fazında yüksek konsantrasyonda bulunabilirken, sülfürik asit düşük buhar basıncı nedeniyle atmosferde aerosol formda yer alır. 5
Asit Yağmuru Nitrik Asit Oluşumu Gaz Fazı: OH + NO 2 + M HNO 3 + M Sıvı Faz: NO 2 + O 3 NO 3 + O 2 NO 3 + NO 2 + M N 2 O 5 + M N 2 O 5 + H 2 O (sıvı) 2HNO 3(aq) M: üçüncü bir molekül 6
Sülfürik Asit Oluşumu Gaz Fazı: SO 2 + OH + M HSO 3 + M HSO 3 + O 2 SO 3 + HO 2 SO 3 + H 2 O + M H 2 SO 4 + M Sıvı Faz: (hızlı) (hızlı) SO 2 + H 2 O 2 H 2 SO 4 Asit Yağmurlarının Etkileri 7
Stratosferik Ozon Oluşumu Chapman Döngüsü O 2 + hv O + O (λ < 240 nm) (R1) O + O 2 + M O 3 + M* (R2) O 3 + hv O 2 + O (R3) O 3 + O 2O 2 (R4) M: üçüncü bir molekül Ozon Oluşumu ve Yıkımı (R1) ve (R2) ile ozon oluşur (R3) ve (R4) ile ozon yıkılır O 2 + hv 2O (R1) O 3 + hv O 2 + O (R3) 2x(O + O 2 + M O 3 + M) (R2) O 3 + O 2O 2 (R4) 3O 2 + hv 2O 3 (Net) 2O 3 + hv 3O 2 (Net) 8
Null Cycle (R3) + (R2) O 3 + hv O 2 + O O + O 2 + M O 3 + M* NULL (R3) (R2) (Net) Yüksek enerjili UV radyasyonu kinetik enerjiye ve ısıya dönüşür. Bu nedenle stratosfer boyunca sıcaklık artar. Katalitik Ozon Yıkım Döngüleri Hidrojen Oksit radikali (HOx) (HOx = OH + HO 2 ) HO 2 + O 3 OH + 2O 2 (R5) OH + O 3 HO 2 + O 2 (R6) 2O 3 3O 2 (Net) OH + O 3 HO 2 + O 2 HO 2 + O OH + O 2 O + O 3 2O 2 (R6) (R7) (Net) 9
Katalitik Ozon Yıkım Döngüleri Azot Oksit Radikali (NOx) (NOx = NO + NO 2 ) NO + O 3 NO 2 + O 2 O + NO 2 NO + O 2 (R8) (R9) O + O 3 2O 2 (Net) ATMOSPHERIC CYCLING OF NO x AND NO y by Daniel J. Jacob http://acmg.seas.harvard.edu/people/faculty/djj/book/powerpoints/index.html 10
Katalitik Ozon Yıkım Döngüleri Klorine radikali (ClOx) CCl 2 F 2 + hv CClF 2 + Cl CCl 3 F + hv CCl 2 F + Cl (R10) (R11) Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O Cl + O 2 O 3 + O 2O 2 (R12) (R13) (Net) ATMOSPHERIC CYCLING OF ClO x AND Cl y by Daniel J. Jacob http://acmg.seas.harvard.edu/people/faculty/djj/book/powerpoints/index.html 11
Kutup Bölgelerinde Ozon İncelmesi ClO + ClO + M ClOOCl + M (R14) ClOOCl + hv ClOO + Cl (R15) ClOO + M Cl + O 2 + M (R16) 2 x (Cl + O 3 ClO + O 2 ) (R17) 2O 3 3O 2 (Net) http://www.theozonehole.com/ozoneholehistory.htm Troposferik Ozon Troposferdeki O 3 konsantrasyonu: 20-100 ppb Ozon öncüleri: azot oksitler (NOx = NO + NO 2 ) ve uçucu organik bileşiklerin (VOC) reaksiyonları sonucunda ikincil kirletici O 3 oluşmaktadır. NO + HC + O 2 + güneş ışığı NO 2 + O 3 Veya, NOx + VOC + güneş ışığı Fotokimyasal sis (O 3 ) Troposferik ozonun canlılara ve çevreye olumsuz etkileri mevcut Kötü ozon 12
Troposferik Ozonun Etkileri İnsan sağlığına: gözleri, boğaz bölgesini ve solunum sistemini etkiler. Hayvanlara: insanlardakine benzer etkiler görülür. Bitkilere: tarım ürünlerini ve ormanlık alanlardaki ağaçları etkiler. Fotokimyasal sis: görüş seviyesinde azalmalar. Sera etkisinin kuvvetlenmesi: O 3 kuvvetli bir sera gazıdır. Troposferik Ozon Oluşumu ve Ozonun Öncü Gazları Ozon gazının troposferde oluşması: NO 2 + hv (λ < 400 nm) NO + O O + O 2 + M O 3 + M (R1) (R2) (M: üçüncü bir molekül, genelde N 2 veya O 2 ) NO + O 3 NO 2 + O 2 (R3) Döngüsel olarak gerçekleşir. Eğer ortamda başka hiçbir madde yoksa üretilen net ozon miktarı sıfırdır. 13
Troposferik Ozon Oluşumu ve Ozonun Öncü Gazları Ozonun üretilmesi için, NO nun NO 2 e oksidasyonunugerçekleştiren diğer bir serbest radikal veya uçucu organik bileşik ortamda bulunmalıdır. HO 2 + NO NO 2 + OH (R4) RO 2 + NO NO 2 + RO (R5) (R: Alkil grubu) Hidroperoksi radikalinin (HO 2 ) veya organik peroksi radikalinin (RO 2 ) azot monoksitle reaksiyonları ile ozon üretimi için gerekli olan azot dioksitin (NO 2 ) miktarının artması gerçekleşir. Azot Oksitler ve Ozon Döngüsü Atkinson R (2000) Atmospheric chemistry of VOCs and NOx, Atmospheric Environment, 34, 2063-2101 14
Karbon Monoksit (CO) in Rolü Ortamda yüksek oranda azot oksitlerin (NOx) bulunması durumunda ozon üretilir: CO + 2O 2 + hv CO 2 + O 3 (R6) (net yapım reaksiyonu) Ortamda düşük oranda azot oksitlerin bulunması durumunda da ozon yıkımı gerçekleşir: CO + O 3 CO 2 + O 2 (R7) (net yıkım reaksiyonu) Pik Ozon Oluşum İzopleti 15
Troposferik Ozonun Kontrolü 16