Uvod
Bez zraka čovjek može preživjeti samo nekoliko minuta. Zrak nam je važan, jer je kisik glavni oksidans kojega naše stanice, u unutrašnjosti mitohondrija, procesom staničnog disanja upotrebljavaju za pretvorbu kemijske energije sadržane u hrani.
No, u zraku kojega dišemo nema samo kisika i dušika, nego se on sastoji od cijelog niza drugih tvari, uglavnom plinova, ali i aerosola, prašine i dr. Neke od tih tvari mogu i vrlo štetno djelovati na naše zdravlje, tako da je vrlo važno stalno i pouzdano praćenje kemijske kakvoće zraka.
U ovom poglavlju ćemo se upoznati s tim plinovitim omotačem našeg planeta Zemlje.
Bez zraka čovjek može preživjeti samo nekoliko minuta.
Zrak nam je važan.
Kisik je glavni oksidans kojega naše stanice u unutrašnjosti mitohondrija,
procesom staničnog disanja upotrebljavaju za pretvorbu kemijske energije sadržane u hrani.
U zraku kojega dišemo nema samo kisika i dušika.
On se sastoji od cijelog niza drugih tvari, uglavnom plinova, ali i aerosola, prašine i dr.
Neke od tih tvari mogu i vrlo štetno djelovati na naše zdravlje.
Tako da je vrlo važno stalno i pouzdano praćenje kemijske kakvoće zraka.
U ovom poglavlju ćemo se upoznati s tim plinovitim omotačem našeg planeta Zemlje.
Zemljina atmosfera
Zemljina je tanak plinski omotač, koji okružuje čvrsti dio našeg planeta.
Debljina Zemljine atmosfere nije jasno definirana, ali glavni kemijski procesi se odvijaju do visine od oko 100 km od površine. Iznad toga praktički vlada vakuum i počinje međuplanetarni prostor. Atmosfera se sastoji od nekoliko slojeva, a to su:
- Troposfera, sloj do visine od 12 km, koji je ključan za održavanje života. U njemu temperatura opada s povećanjem visine.
- Stratosfera, sloj koji se prostire od 12 do 50 km. Tu se nalazi ozonski sloj, a temperatura raste s povećanjem visine.
- Mezosfera, sloj koji se prostire od 50 do 80 km. U tom sloju izgara većina meteora, a u njemu se događaju i važni procesi kemijskih rekombinacija.
- Termosfera je sloj iznad 80 km, a granicom se obično smatra visina od 700 km, no ona nije jasna. Tu je gustoća plina već vrlo mala i u njoj se događaju procesi ključni za zaštitu života od ionizirajućeg zračenja, posljedica čega je npr. polarna svjetlost.
Zemljina atmosfera je tanak plinski omotač koji okružuje čvrsti dio našeg planeta.
Njena debljina nije jasno definirana.
Glavni kemijski procesi se odvijaju do visine od oko 100 km od površine.
Iznad toga praktički vlada vakuum i počinje međuplanetarni prostor.
Atmosfera se sastoji od nekoliko slojeva, a to su:
- troposfera
Sloj do visine od 12 km, koji je ključan za održavanje života.
U njemu temperatura opada s povećanjem visine.
- stratosfera
Sloj koji se prostire od 12 do 50 km.
Tu se nalazi ozonski sloj, a temperatura raste s povećanjem visine.
- mezosfera
Sloj koji se prostire od 50 do 80 km.
U tom sloju izgara većina meteora, a u njemu se događaju i važni procesi kemijskih rekombinacija.
- termosfera
Sloj iznad 80 km, a granicom se obično smatra visina od 700 km, no ona nije jasna.
Tu je gustoća plina već vrlo mala.
U njoj se događaju procesi ključni za zaštitu života od ionizirajućeg zračenja, posljedica čega je npr. polarna svjetlost.
Atmosfera se u troposferi sastoji uglavnom od dušika, kisika i argona.
Konkretno, udio dušika (N2) je 78,084 %, udio kisika je (O2) je 20,946 %, dok je argon (Ar) zastupljen s 0,934 %. Ostali plinovi su zastupljeni u tragovima, a najvažniji su (izraženo u ppm - dio u milijun dijelova):
- ugljikov(IV) oksid (CO2) 410 ppm
- neon (Ne) 1,8 ppm
- helij (He) 0,52 ppm
- metan (CH4) 0,18 ppm
- kripton (Kr) 0,11 ppm
- vodik (H2) 0,055 ppm
Zanimljivo je primijetiti da je udio vodika, inače najzastupljenijeg elementa u svemiru, u Zemljinoj atmosferi potpuno zanemariv. Uzrok je njegova vrlo mala molekulska masa, zbog čega on vrlo brzo difundira u međuplanetarni prostor.
Proširite vidike
Pozorno pogledajte videozapis Stanjivanje ozonskog sloja i zaključite zašto je stanjivanje ozonskog sloja u stratosferi u posljednjih je dvadesetak godina vrlo ozbiljan problem.
Stanjivanje ozonskog sloja
Reakcije u Zemljinoj atmosferi
Onečišćenja atmosfere
Naravno, u uzorcima troposferskog zraka nalazimo također izvjesne količine mnogih drugih kemijskih spojeva. Njihova koncentracija može biti lokalno relativno visoka, a o tome značajno ovisi kakvoća zraka. Mnoge od tih tvari su prirodnog porijekla, ali mnoge od njih potječu od čovjekovog djelovanja i prostorno i sezonski variraju. Osim toga, prisutni su i razni aerosoli te prašina, što može biti mineralnog ili organskog porijekla. Primjeri su vulkanski plinovi, pepeo i prašina, pelud, spore, morska "prašina", mikrometeoriti itd., a od antropogenih možemo izdvojiti industrijske plinove, čestice dima, industrijske mikročestice, smog itd.
U uzorcima troposferskog zraka nalazimo također izvjesne količine mnogih drugih kemijskih spojeva.
Njihova koncentracija može biti lokalno relativno visoka.
O tome značajno ovisi kakvoća zraka.
Mnoge od tih tvari su prirodnog porijekla.
Mnoge od njih potječu od čovjekovog djelovanja i prostorno i sezonski variraju.
Osim toga, prisutni su i razni aerosoli te prašina.
To može biti mineralnog ili organskog porijekla.
Primjeri su vulkanski plinovi, pepeo i prašina, pelud, spore, morska "prašina", mikrometeoriti itd.
Od antropogenih možemo izdvojiti industrijske plinove, čestice dima, industrijske mikročestice, smog itd.
Analiza onečišćenja
Svrha bilo koje kemijske analize je utvrđivanje vrste tvari koje su zastupljene u nekom uzorku (kvalitativna analiza) i količine, tj. koncentracije pojedine određene tvari (kvantitativna analiza). Tako se i analizom plinovitih produkata industrijske djelatnosti utvrđuju prisustva onečišćujućih tvari, među kojima su osobito važne otrovne i kancerogene tvari te one koje značajno utječu na kvalitetu okoliša.
Mjerenje kvalitete zraka obično se provodi pomoću automatskih mjernih uređaja za mjerenje koncentracije pojedine onečišćujuće tvari, a najčešće se prate sljedeće onečišćujuće tvari: sumporov dioksid - SO2, dušikovi oksidi - NO, NO2, ugljikov monoksid - CO, ozon - O3, benzen - C6H6, sumporovodik - H2S, amonijak - NH3 te lebdeće čestice PM10 i PM2.5. Metode uzorkovanja su detaljno propisane, a analitika uključuje različite spektroskopske metode, mjerenje raspršenja svjetlosti itd.
Svrha bilo koje kemijske analize je
utvrđivanje vrste tvari koje su zastupljene u nekom uzorku (kvalitativna analiza) i
količine, tj. koncentracije pojedine određene tvari (kvantitativna analiza).
Tako se i analizom plinovitih produkata industrijske djelatnosti utvrđuju prisustva onečišćujućih tvari.
Među kojima su osobito važne otrovne i kancerogene tvari te one koje značajno utječu na kvalitetu okoliša.
Mjerenje kvalitete zraka obično se provodi pomoću automatskih mjernih uređaja za mjerenje koncentracije pojedine onečišćujuće tvari.
Najčešće se prate sljedeće onečišćujuće tvari:
- sumporov dioksid - SO2,
- dušikovi oksidi - NO, NO2,
- ugljikov monoksid - CO,
- ozon - O3,
- benzen - C6H6,
- sumporovodik - H2S,
- amonijak - NH3 te
- lebdeće čestice PM10 i PM2.5.
Metode uzorkovanja su detaljno propisane, a analitika uključuje različite spektroskopske metode, mjerenje raspršenja svjetlosti itd.
Riješeni problem 1 - mjerenje koncentracije troposferskog ozona
Efekt staklenika i klimatske promjene
Jeste li ikad primijetili da su zimske noći znatno toplije kad je oblačno u odnosu na one kad je vedro?
Naime, voda ima sposobnost upijanja znatne količine toplinske energije, a postoji još čitav niz plinova koji imaju isto to svojstvo. Prema analogiji sa staklenicima, dakle vrtovima prekrivenima prozirnom polietilenskom folijom zbog zadržavanja topline unutar njih, ta pojava je nazvana efektom staklenika.
O čemu se zapravo radi? Pogledajmo sljedeću sliku:
Jeste li ikad primijetili da su zimske noći znatno toplije kad je oblačno u odnosu na one kad je vedro?
Naime, voda ima sposobnost upijanja znatne količine toplinske energije.
Postoji još čitav niz plinova koji imaju isto to svojstvo.
Prema analogiji sa staklenicima ta pojava je nazvana efektom staklenika.
Tu se misli na vrtove prekrivene prozirnom polietilenskom folijom zbog zadržavanja topline unutar njih.
O čemu se zapravo radi? Pogledajmo sljedeću sliku:
Sad je vrijeme da se prisjetite poglavlja o infracrvenoj spektroskopiji. Naime, frekvencije vibracija veza unutar molekula odgovaraju frekvencijama elektromagnetskog zračenja u infracrvenom dijelu spektra. Zato molekule upijaju odgovarajuća područja infracrvenog spektra (toplinskog zračenja), što rezultira karakterističnim spektrima, koji su znanstvenicima izuzetno koristan izvor informacija o detaljima mikroskopske građe tvari. No, neke molekule izrazito jako upijaju infracrveno zračenje, i to kroz široki raspon frekvencija. Takve molekule mogu akumulirati znatne količine topline. Ako su u plinovitom stanju i zbog različitih razloga se u većoj količini nalaze u atmosferi, nazivamo ih stakleničkim plinovima.
Nisu svi staklenički plinovi jednako efikasni, a njihova efikasnost se izražava kao staklenički potencijal plinova (GHP, prema eng. greenhouse potential). Iako najpoznatiji, ugljikov dioksid nije i najjači staklenički plin. Ima i znatno gorih od njega. Dogovorno, njegov GHP = 1, a sljedeća tablica daje vrijednosti GHP za nekoliko najvažnijih stakleničkih plinova:
Sad je vrijeme da se prisjetite poglavlja o infracrvenoj spektroskopiji.
Frekvencije vibracija veza unutar molekula
odgovaraju frekvencijama elektromagnetskog zračenja u infracrvenom dijelu spektra.
Zato molekule upijaju odgovarajuća područja infracrvenog spektra (toplinskog zračenja).
Što rezultira karakterističnim spektrima koji su znanstvenicima
izuzetno koristan izvor informacija o detaljima mikroskopske građe tvari.
No, neke molekule izrazito jako upijaju infracrveno zračenje, i to kroz široki raspon frekvencija.
Takve molekule mogu akumulirati znatne količine topline.
Ako su u plinovitom stanju i zbog različitih razloga se u većoj količini nalaze u atmosferi, nazivamo ih stakleničkim plinovima.
Nisu svi staklenički plinovi jednako efikasni.
Njihova efikasnost se izražava kao staklenički potencijal plinova (GHP, prema eng. greenhouse potential).
Iako najpoznatiji, ugljikov dioksid nije i najjači staklenički plin.
Ima i znatno gorih od njega.
Dogovorno, njegov GHP = 1, a sljedeća tablica daje vrijednosti GHP za nekoliko najvažnijih stakleničkih plinova:
U tablici vidimo da voda dominantno doprinosi efektu staklenika, ali njen GHP nije poznat. To je zato što je njena koncentracija nestalna i ovisi o mnoštvu faktora. Ona se i ne zadržava dugo u atmosferi, ali igra ključnu ulogu u našoj klimi te u njenoj varijabilnosti i promjenama.
Iako u zadnje vrijeme ozloglašen, efekt staklenika sam po sebi nije loš. Naime, bez prirodnog efekta staklenika, prosječna temperatura na površini Zemlje iznosila bi negostoljubivih -18 °C umjesto 14 °C, koliko imamo danas. To bi značilo da bi bez efekta staklenika sva voda bila u obliku leda i ne bi mogla podržavati život. No, ključna je činjenica aktualnih klimatskih promjena da je opaženi porast globalne prosječne temperature u direktnoj vezi s povećanim koncentracijama stakleničkih plinova u atmosferi do kojih dolazi uslijed emisija uzrokovanih ljudskim djelovanjem kao što je izgaranje fosilnih goriva.
U tablici vidimo da voda dominantno doprinosi efektu staklenika, ali njen GHP nije poznat.
To je zato što je njena koncentracija nestalna i ovisi o mnoštvu faktora.
Ona se i ne zadržava dugo u atmosferi, ali igra ključnu ulogu u našoj klimi te u njenoj varijabilnosti i promjenama.
Iako u zadnje vrijeme ozloglašen, efekt staklenika sam po sebi nije loš.
Bez prirodnog efekta staklenika, prosječna temperatura na površini Zemlje
iznosila bi negostoljubivih -18 °C umjesto 14 °C, koliko imamo danas.
To bi značilo da bi bez efekta staklenika sva voda bila u obliku leda i ne bi mogla podržavati život.
No, ključna je činjenica aktualnih klimatskih promjena da je
opaženi porast globalne prosječne temperature u direktnoj vezi s povećanim koncentracijama stakleničkih plinova u atmosferi.
Do njih dolazi uslijed emisija uzrokovanih ljudskim djelovanjem kao što je izgaranje fosilnih goriva.
Trenutna (23. veljače 2020.) je koncentracija ugljikovog dioksida u atmosferi 414,13 ppm, a na isti datum 2019. je iznosila 410,81 ppm. Potražite na mrežnim stranicama kolika je njegova koncentracija u trenutku čitanja ovog članka. Ako je niža od toga, onda smo na dobrom putu ublažavanja klimatskih promjena. Ako je viša, onda je vrijeme da razmislite o akciji koju svatko od nas može poduzeti.