Kemin och hållbar utveckling

15 Kemin och hållbar utveckling I det här kapitlet presenteras några av våra mest angelägna miljöfrågor. Alla har direkt anknytning till Kemi A. Vi har tänkt oss att du, efter eget val, kan fördjupa dig i någon eller några av frågorna. På webben hittar du kompletterande aktuell information, länkar till organisationer, myndigheter och riksdagspartiernas miljöprogram. Figur 15.1. Jorden, atmosfären och månen fotograferad från rymdfärjan Discovery. 75 % av atmosfärens totala gasmassa finns i troposfären som sträcker sig från jordytan och 11 km uppåt. Jordklotet omges av ett gashölje, en atmosfär, och jordytan täcks till största delen av vatten. Regnvatten som strömmar över jordytan löser fasta ämnen och transporterar dem till haven. Fasta ämnen kan också övergå i gasform t.ex. vid förbränning och spridas i atmosfären. Sedan kan ämnena i vattnet och i atmosfären reagera med varandra eller med andra ämnen och bilda nya föreningar. Så småningom, efter nya omvandlingar, kan ämnena återgå till den fasta markytan. Materia som på detta sätt omvandlas och omsätts mellan luften, haven och marken ingår i ett naturligt kretslopp. De naturliga kretsloppen är cykliska processer ämnena produceras och förbrukas med samma hastighet. ckså de levande organismerna deltar i kretsloppen. Syre t.ex. produceras av växter, alger och cyanobakterier. Samtidigt förbrukas syre när djur andas och organisk materia förmultnar. Det är hög omsättning i luftens syreförråd. Eftersom syre ingår i de naturliga kretsloppen är luftens syrehalt konstant nära 21 %. Syret flödar alltså lika snabbt i båda riktningarna. Man säger att det uppstått en flödesjämvikt eller ett stationärt tillstånd (steady state). 290

Sveriges 16 miljömål har fått varsin symbol. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I flera kapitel har vi sett exempel på att den moderna tekniken gett oss verktyg att hantera naturen efter våra egna önskemål. Vetenskaplig och teknisk utveckling har tillsammans bidragit till ökad välfärd på många områden. Men vår moderna livsstil har också medfört att vi blivit alltmer beroende av naturens energi- och materialresurser. Råvaror hämtas från jordskorpan, luften och haven. Havsvatten ger oss natriumklorid som är utgångsämne för framställning av en mängd natrium- och klorföreningar, se s. 62. Svavelsyra och svavelföreningar framställs av svavel och svavelkis som finns i naturen, se s. 181. I kapitel 9 såg vi att metaller framställs ur mineral som hämtas ur jordskorpan. Råoljan är också en naturprodukt. Den är ju en av våra främsta energikällor men också basen för polymerindustrin. Flera av människans ingrepp i naturens cykliska flöden resulterar i linjära flöden. Det innebär att flödet överväger i en av riktningarna. Då störs den balans som råder mellan förrådens in- och utflöde av ämnen. Varje linjärt flöde leder förr eller senare till en miljöbelastning, eftersom mottagaren, recipienten, inte klarar den ökade belastningen. Det leder ofta till att miljön skadas. Människan ingriper t.ex. idag på ett märkbart sätt i kvävets och fosforns cykliska kretslopp. Mineralet apatit överförs till ett lösligt fosfat och luftkväve omvandlas i stora mängder till ammoniak. Fosfatet och ammoniaken används framförallt för framställning av konstgödsel till vårt intensiva jordbruk. Men all fosfor och allt kväve tas inte upp av grödorna och stannar inte heller kvar i åkrarna, en del kommer ut i övriga delar av naturen. Därför har växternas, algernas och cyanobakteriernas förråd av tillgängligt kväve och fosfor ökat så kraftigt att det har uppstått övergödning. Idag finns en utbredd och befogad oro att industrisamhället genom sina tekniska processer och människorna genom sin livsstil permanent skadar flera av de cykliska flöden som har utvecklats under årmiljoner. Men vilka är problemen? Hur uppstår de? ch hur kan man komma till rätta med de problem som uppstår? Kapitel 15 11 12 13 14 15 16 Sverige har 16 nationella miljömål År 1992 samlades ledare från 181 länder till en miljökonferens i FN:s regi i Rio de Janeiro, Brasilien. Vid konferensen identifierades viktiga problemområden. Mötet resulterade i en global handlingsplan Agenda 21 med målet att vi upphör med det missbruk som vi nu utsätter naturen för. Vi måste snarast möjligt och överallt i samhället, på alla nivåer, ändra vanor och beteenden så att inte natur och miljö får bestående skador. I Sverige ledde arbetet med Agenda 21 till att riksdagen 1999 antog 15 nationella miljömål (i november 2005 tillkom ett 16:e mål om biologisk mångfald). Målsättningen är att vi någon gång omkring år 2020 (2050 när det gäller ett av målen, klimatmålet) ska ha minskat miljöproblemen så mycket att vårt samhälle blir hållbart på lång sikt. 291

Vi ska se närmare på sex av målen som har direkt anknytning till kursen i Kemi A. Sveriges 16 nationella miljömål 1. Begränsad klimatpåverkan 9. Grundvatten av god kvalitet 2. Frisk luft 10. Hav i balans 3. Bara naturlig försurning 11. Myllrande våtmarker 4. Giftfri miljö 12. Levande skogar 5. Skyddande ozonskikt 13. Ett rikt odlingslandskap 6. Säker strålmiljö 14. Storslagen fjällmiljö 7. Ingen övergödning 15. God bebyggd miljö 8. Levande sjöar 16. Ett rikt växt- och djurliv Luften skall vara så ren att människors hälsa samt djur, växter och kulturvärden inte skadas. Miljömål 2. Frisk luft Industrialiseringen har medfört att atmosfären hela tiden tillförs nya ämnen. Halterna av en del naturligt förekommande ämnen har kommit upp i nivåer som är riskabla för både hälsa och miljö. Det gäller t.ex. halterna av kvävedioxid och svaveldioxid. Som ett första steg på vägen mot renare luft har riksdagen beslutat att börja utreda och åtgärda problemen inom sex delområden av miljömålet Frisk luft. Delområdena handlar om följande luftförorenande ämnen: 1) svaveldioxid, 2) kvävedioxid, 3) marknära ozon, 4) flyktiga organiska ämnen, 5) partiklar, 6) benso(a)pyren. Delmål: För varje delområde har man bestämt att utsläppshalten av ämnet ska sänkas till ett visst angivet värde. Kväve, syre och argon utgör tillsammans mer än 99,9 % av gaserna i torr luft. Övriga gaser framför allt ädelgaser och koldioxid ingår i så låga halter att de anges med hjälp av särskilda enheter, antingen ppm (parts per million, dvs. miljondelar) eller g/m 3. Enheten ppm anger andelen molekyler av en viss gas bland totalt 1 miljon gasmolekyler. Luftens halt av koldioxid är 0,035 %, dvs. 3,5 10 2 % av alla luftmolekyler är C 2 - molekyler. Bland 1 miljon luftmolekyler finns 3,5 10 2 1 10 6 / 100 = 350 C 2 -molekyler. Halten C 2 i luft är alltså 350 ppm. Exempel 15.1 Luftens halt av ädelgasen neon är 0,0018 % (volymprocent). Uttryck halten neon i a) ppm, b) μg/m 3. Lösning a) Eftersom alla gasmolekyler inklusive ädelgasernas fria atomer upptar samma volym (alla gaser har ju samma molvolym) utgörs 1,8 10 3 % av luftmolekylerna av neonatomer, dvs. andelen neonatomer är 1,8 10 5. Antalet neonatomer bland 1,00 10 6 luftmolekyler är därför 1,8 10 5 1,0 10 6 = 18. Halten neon är 18 ppm. 292

b) Vi antar att luften befinner sig vid NTP, dvs. att temperaturen är 0 C och att trycket är 101,3 kpa. Då har gasblandningen luft precis som alla gaser molvolymen V m = 22,4 dm 3 /mol. Vi beräknar substansmängden gasformiga ämnen som motsvarar 1 m 3 luft. Formeln V = n(luft) V m ger n(luft) = V / V m = 1 000 dm 3 / 22,4 dm 3 /mol = 44,6 mol Eftersom andelen neonmolekyler är 1,8 10 5 blir: n(ne) = 1,8 10 5 44,4 mol = 7,99 10 4 mol m(ne) = M n = 20,2 g/mol 7,99 10 4 mol = 1,61 10 2 g = 1,61 10 4 μg. Kapitel 15 Svar: Luftens halt av neon är a) 18 ppm, b) 1,6 10 4 μg/m 3. Halten 5 µg/m³ för svaveldioxid som årsmedelvärde skall vara uppnådd i samtliga kommuner år 2005. Delmål 1. Svaveldioxid Svaveldioxid är en gas med stickande lukt. S 2 -molekylen är polär och därför är gasen svaveldioxid ganska lättlöslig i vatten, se s. 90. När svaveldioxid löses i vatten bildas syran svavelsyrlighet, H 2 S 3. Därför säger man att svaveldioxid är en sur oxid. Svavelsyrlighet är en ganska stark syra. Svaveldioxid är skadlig att andas in. När gasen kommer ner i de fuktiga luftrören, bildas svavelsyrlighet som fräter på slemhinnorna. Svaveldioxid bildas naturligt vid vulkanutbrott. Fossila bränslen som stenkol, tjära och eldningsolja innehåller i allmänhet någon procent svavel och ger därför svaveldioxid vid förbränning. m rökgaserna inte renas kommer svaveldioxiden ut i atmosfären. Där reagerar den med vatten och luftsyre och bildar så småningom svavelsyra. Utblick 15.1. Svavlets linjära flöde hejdas Framställningen av industrigips är ett bra exempel på hur ett miljöproblem kan få en positiv lösning. Kraftvärmeverkens bränslen innehåller svavelföreningar som bildar svaveldioxid vid förbränningen. För att rena röken från svaveldioxid duschas rökgasen med uppslammad kalksten, CaC 3, eller kalciumhydroxid, Ca(H) 2. Då löser sig svaveldioxiden i vattnet och bildar kalciumsulfit, CaS 3. När lösningen sprejas ut i luften oxideras sulfitjonerna av luftens syre till sulfatjoner, dvs. kalciumsulfiten oxideras till kalciumsulfat. Svaveldioxiden har överförts till gips, CaS 4 2H 2. Den används för framställning av gipsskivor för byggindustrin. Det linjära flödet av svavel till atmosfären har nu bromsats. Studier har visat att plattor av industrigips är minst lika rena som de naturgipsplattor som tillverkas av gips som bryts i gruvor. elfilter flygaska skrubber kalkslurry slangfilter gips Figur 15.2. Anläggning för avsvavling av rökgaser. I elfiltret fastnar stoftpartiklar på elektriskt laddade trådar och plattor. I skrubbern duschas rökgaserna. Då bildas kalciumsulfit som sedan oxideras till kalciumsulfat, gips. Temperaturen är så hög att vattnet avdunstar. Den torra gipsen avskiljs i ett s.k. slangfilter. 293

Utsläpp av svaveldioxid (1 000 ton) 120 100 80 60 40 20 0 300 250 200 150 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 energi exklusive transporter transport industriprocesser Figur 15.3. Utsläpp av svaveldioxid i Sverige under perioden 1990 2004. Miljömålet 60 kton uppnåddes 1999, Halterna 60 mikrogram/m³ som timmedelvärde och 20 mikrogram/m³ som årsmedelvärde för kvävedioxid skall i huvudsak underskridas år 2010. Timmedelvärdet får överskridas högst 175 timmar per år. Utsläpp av kväveoxider (1 000 ton) 350 Svaveldioxid påverkar andningen hos människor och djur vid halter från ungefär 1 ppm. Växter är inte fullt lika tåliga; redan vid 0,5 ppm tar de skada. Även om utsläppen av svaveldioxid tidvis varit höga i Sverige så har det hittills inte funnits någon direkt fara för människors hälsa. Däremot påverkades växtligheten negativt när utsläppen var som störst i början av 1970-talet. De senaste 25 åren har de svenska utsläppen tack vare kraftfulla åtgärder minskat rejält och delmålet, som är satt till 60 000 ton svaveldioxid per år, är redan nått. Det beror främst på att vi i Sverige har infört avsvavling av bränslen och rökgasrening, se figur 15.2. Svavelhalterna i bensin och diesel är nu mycket lägre än tidigare. Men den internationella sjöfarten får fortfarande använda svavelhaltiga oljor. Idag är utsläppen därifrån större än de landbaserade utsläppen. Delmål 2. Kvävedioxid Det finns tre kväveoxider i luften: N 2 (dikväveoxid), N (kvävemonoxid) och N 2 (kvävedioxid). De två sistnämnda N och N 2 betecknas ofta gemensamt N x. Dikväveoxid (lustgas) är inte särskilt giftig, det är däremot N och framför allt N 2. m man andas in luft med förhöjda halter av kvävedioxid, N 2, kan man få skador på andningsorganen. När kvävedioxiden reagerar med fuktigheten på slemhinnorna bildas en starkt sur lösning av salpetersyrlighet, HN 2, och salpetersyra, HN 3 : 2N 2 + H 2 HN 3 + HN 2 Rökgaser innehåller alltid kväveoxider om förbränningen skett vid hög temperatur. Då kan luftens syre och kväve reagera med varandra och bilda kväve(mon)oxid. I bilmotorns cylindrar är förhållandena de rätta för att halten av N ska bli hög. När avgaserna kommer ut i luften reagerar de snabbt vidare med syre: N 2 + 2 + energi 2N 2N + 2 2N 2 100 50 0 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 energi exklusive transporter transport industriprocesser Figur 15.4. Utsläpp av kväveoxider i Sverige under perioden 1990 2004. Kvävedioxid känns igen på sin lukt och sin gulbruna färg, se s. 161. Det är kvävedioxiden som ger den typiska gula färgen åt smog den täta, frätande dimma som uppstår i vissa storstäder. Luftens halt av kvävedioxid är starkt kopplad till fordonstrafiken och blir därför särskilt hög i hårt trafikerade storstadsmiljöer. 294

Utblick 15.2. Katalytisk avgasrening I förbränningsmotorer bildas de för miljön och hälsan skadliga avgaserna N x, C och VC (ofullständigt förbrända organiska ämnen), se delmål 4. Genom att förse personbilar med en mycket effektiv katalytisk avgasrenare har utsläppen drastiskt minskat. Modern katalysatorteknik sänker utsläppen av kolväten, N x och koloxid med ungefär 95 %. Krav på katalytisk avgasrening infördes i Sverige år 1989. I EU infördes kravet 1993. Den katalytiska avgasrenaren består av en bärkropp som är inkapslad i ett metallhölje och kopplad mellan motorn och avgasröret. Bärkroppen består av ett keramiskt material. Den har ett stort antal kanaler som täcks av porösa metalloxider, allt för att skapa en så stor kontaktyta mellan katalysator och avgaser som möjligt. Katalysatorn finns på oxidernas yta och utgörs av ett tunt skikt av en legering av a. b. c. ädelmetallerna platina och rodium eller palladium. Det är alltså på legeringens yta som avgaserna oskadliggörs. Varje avgasrenare innehåller ca 5 g legering. Avgaserna renas från kvävemonoxid och kolmonoxid genom två olika reaktioner den ena är en reduktion och den andra en oxidation. Reaktionerna beskrivs i figur 15.5. N 2 N + och N N + som ger C + C 2 och N + N N 2 Tack vare katalysatorn sänks också halten kolväterester, VC: VC + x C 2 + H 2 Katalytisk avgasrening kräver noggrann kontroll av sammansättningen av den luft-bränsleblandning som sugs in i motorns cylindrar. Avgasrenaren fungerar bäst om blandningen innehåller 14,7 delar syre till 1 del bensin, räknat på massan. Man säger att en sådan blandning har λ (lambda) = 1. Bränsleblandningens syrehalt styrs av en s.k. lambasond. m sonden visar att lambda-värdet avviker alltför mycket ifrån 1 ger den en signal till en elektronisk styrenhet som reglerar bensintillförseln. Figur 15.6 visar hur reningsgraden påverkas när andelen luft i bränslet ändras. Katalysatorn är en mycket smart lösning på ett avancerat kemitekniskt problem. Uppfinnaren borde vara kandidat till Nobelpriset i kemi? Kapitel 15 d. e. f. reningseffekt lambdafönstret C N P N Figur 15.5. Reaktionen mellan kvävemonoxid och kolmonoxid vid katalytisk avgasrening. a, b och c) N- och C-molekyler fastnar på katalysatorn. Då spjälkas N-molekylerna i atomer medan C-molekylerna adsorberas oförändrade. De spjälkade -atomerna rör sig snabbt på katalysatorytan och når så småningom C-molekyler. Då bildas C 2 -molekyler. d, e och f) C 2 -molekylerna lossnar och försvinner med avgaserna. Även N-atomerna rör sig snabbt över katalysatorytan och när de träffar på andra N-atomer bildas N 2 -molekyler. De lossnar genast och försvinner med avgaserna. Kolvätemolekyler (VC) adsorberas också och oxideras till C 2 - och H 2 -molekyler. C HC luftunderskott 1,0 lambda-värde luftöverkott Figur 15.6. Samband mellan λ-värde och en katalytisk avgasrenares effekt. Bäst rening får man om λ = 1 295

Halten marknära ozon skall inte överskrida 120 mikrogram/m³ som åtta timmars medelvärde år 2010. Delmål 3. Marknära ozon zon, 3, är en form av syre som bildas om man t.ex. utsätter syrgas för elektriska urladdningar: 3 2 + energi 2 3 zon är ett kraftigare oxidationsmedel än syre och mycket reaktivt. zonhaltig luft är skadlig även om ozonhalten är låg. zon är också mindre vattenlösligt än S 2 och N 2 och når därför längre ner i luftvägarna än dessa gaser. Växtligheten skadas också av ozonhaltig luft. Man beräknar att i Sverige orsakar det marknära ozonet skador på grödor som vete, potatis och vallväxter för minst 1 miljard kronor per år. Studier har visat att grödorna skadas om ozonhalten är högre än ca 50 μg/m 3 dagtid under sommarhalvåret. Idag ligger halterna på 60 70 μg/m 3 i norra Sverige och på ca 80 μg/m 3 i övriga delar av landet. zonhaltig luft bildas när vädret är soligt och varmt och luften innehåller kväveoxid och flyktiga kolväten (VC, se delmål 4). VC + N + 2 + solljus 3 + HN 3 + organiska föreningar Förbränningsmotorernas utsläpp av kväveoxid och kolväten är en starkt bidragande orsak till det marknära ozonet. Det bildas framför allt i hårt trafikerade storstäder med varmt klimat och lugna vindförhållanden som t.ex. Los Angeles, Mexico City, Aten och Rom. I Sveriges storstäder bildas relativt lite marknära ozon. Den största delen av vårt marknära ozon transporteras hit med vindar från Centraleuropa, främst på våren och sommaren. Figur 15.7. En mätstation i Villingen-Schwenningen, Tyskland, anger halterna av ozon, N 2 och S 2. Vid det här mättillfället den 5 augusti 2003 var halten ozon 195 μg/m 3. Gränsvärdet är 120 μg/m 3. År 2010 skall utsläppen av flyktiga organiska ämnen (VC) i Sverige, exklusive metan, ha minskat till 241 000 ton. Delmål 4. Flyktiga organiska ämnen Som du såg i Utblick 9.1 används råolja som utgångsämne vid framställningen av en lång rad kemiska produkter. Det är inom den organiskkemiska industrin som överlägset flest nya ämnen framställs. Flera av produkterna är flyktiga och kallas VC (Volatile rganic Compounds). Benämningen används om kolväten som har kokpunkter mellan 50 C och 260 C. VC är hälsofarliga ämnen. Dessutom gynnar de bildningen av marknära ozon, se ovan. 296

Halterna 35 mikrogram/m³ som dygnsmedelvärde och 20 mikrogram/m³ som årsmedelvärde för partiklar (PM10) skall underskridas år 2010. Figur 15.8. Kinas ekonomi har en mycket snabb tillväxt och därmed ökar också miljöbelastningarna. Luften i Taiyuan, som ligger i koloch stålprovinsen Shanxi, är näst sämst i landet. Solens strålar har svårt att leta sig igenom den förorenade luften. Delmål 5. Partiklar I all luft finns små, skadliga partiklar. Höga halter av dem leder till en ökad dödlighet i luftvägs- och lungsjukdomar. Partiklarna bildas vid ofullständig förbränning av kol, olja och biobränslen. De sprids i atmosfären och förs bort med luftströmmarna tillsammans med pollen, damm och partiklar från t.ex. bromsbelägg och vägbana. Dubbdäck orsakar stort slitage på vägbanan. PM10-halten är ett mått på mängden partiklar i luft. Den definieras som massan av alla partiklar som har mindre diameter än 0,01 mm (10 µm) och finns i 1 m 3 luft. Partiklar som är så små kallas också inandningsbara eftersom de kan tränga långt ner i andningsorganen. Man vet inte exakt varför partiklarna är skadliga, men man vet att personer med luftvägsbesvär får kraftigt ökade besvär om halterna ökar. Hälsofaran ökar ytterligare om partiklarna bär med sig kolväten av olika slag som t.ex. polyaromatiska kolväten (PAH). Kapitel 15 Halten 0,3 nanogram/m³ som årsmedelvärde för benso(a)pyren skall i huvudsak underskridas år 2015. benso(a)pyren, C 20 H 12 Delmål 6. Benso(a)pyren Benso(a)pyren tillhör en grupp kolföreningar som kallas polyaromatiska kolväten, förkortat PAH. De räknas till de aromatiska ämnena därför att deras molekyler består av fem sammanbyggda bensenringar, se formel i marginalen. Även de här ämnena kan spridas i atmosfären trots att de inte är flyktiga. Benso(a)pyren bildas vid ofullständig förbränning och finns därför bl.a. i cigarettrök, rök från kaminer och i avgaser från bränslemotorer. Djurförsök har visat att benso(a)pyren är cancerogent, liksom andra PAH-föreningar. Man har valt ut benso(a)pyren som en slags generell indikator för alla PAH-föreningar. 297

Utblick 15.3. Grön kemi Grön kemi syftar till att skapa så miljövänliga kemiska produktionsmetoder som möjligt. Riktlinjerna för grön kemi formulerades år 1998 av två kemister, Paul Anastas och John Warner. I tolv punkter beskrev de hur produktionsmetoderna skulle kunna förbättras. Vi behandlar inte alla punkterna här men du har dem på webben. Punkterna säger bl.a. att Det är alltid bättre att förhindra att avfall bildas än att ta hand om det i efterhand. Det är både energikrävande och svårt att samla in avfall som spritts ut i miljön tänk på entropin (och linjära flöden). Man bör se till att reaktionerna har maximal atomekonomi. Det betyder att man ska se till att en maximal del av reaktanterna omvandlas till slutprodukt då bildas minsta möjliga andel avfall. Man ska använda så energisnåla processer som möjligt. Man bör använda katalysatorer så ofta som möjligt. När det är möjligt ska man använda och producera ämnen som inte skadar människors hälsa eller miljön. Man ska använda ämnen som inte anrikas om de kommer ut i miljön. m man använder ämnen som anrikas måste man se till att de bryts ner till ofarliga restprodukter. Man ska använda så ofarliga lösningsmedel som möjligt. 2005 års Nobelpris i kemi delades mellan Yves Chauvin från Frankrike och Robert H. Grubbs och Richard R Schrock från USA. Deras arbete är ett bra exempel på hur forskning kan leda till utveckling mot grön kemi. De fick priset för att de bidragit till en revolutionerande ny metod att bygga organiska molekyler. Metoden, som kallas metates, kan liknas vid en molekyldans där atomgrupper byter plats med varandra så att nya molekyler bildas. Partnerbytet kan bara ske om speciella katalysatormolekyler deltar i dansen. Den kemiska industrin har haft stor nytta av den nya syntesmetoden. Tillverkare av bl.a. läkemedel och plaster har kunnat utveckla nya, mer miljövänliga syntesmetoder: de kräver mindre resurser, minskar användningen av farliga lösningsmedel, ger färre restprodukter och minskar på så sätt utsläppen till luft och vatten. zonskiktet skall utvecklas så att det långsiktigt ger skydd mot skadlig UV-strålning. Miljömål 5. Skyddande ozonskikt zon bildas inte bara vid markytan utan också uppe i stratosfären genom UV-strålningens inverkan på syrgas. Vi har sett att det marknära ozonet är skadligt för både djur och växter, men ozonet uppe i stratosfären är nödvändigt för allt liv på jorden. Den del av solstrålningen som har en våglängd mellan 400 nm och 10 nm kallas UV-strålning. Den har alltså kortare våglängd än det synliga ljuset och är därmed mer energirik. Man brukar dela upp UV-området i tre delar: UVA, UVB och UVC. UVA ligger mellan 320 och 400 nm, UVB mellan 270 och 320 nm; UVC är kortare än 270 nm. UVA-strålningen har längst våglängd och därför lägst energi. UVB- och UVC-strålarna är farliga för levande organismer därför att de har så hög energi att de kan bryta kovalenta bindningar, se figur 8.14 på s. 141. m bindningar bryts i DNA-molekylerna så skadas arvsmassan. Så här går det till när ozon bildas i stratosfären: 2 + UV-ljus 2 + 2 3 298

Den totala reaktionen för bildning av ozon är alltså 3 2 + UV-ljus 2 3 Kapitel 15 zon har mycket stor förmåga att absorbera UV-strålning, särskilt strålningen inom UVB- och UVC-områdena, som är så skadlig för livet på jorden. Absorptionen sker i ett ozonskikt som finns på 15 40 km höjd i stratosfären. zonhalten är mycket låg. m allt ozon komprimerades till trycket 101,3 kpa, skulle ozonskiktet runt jordklotet bara bli 3 mm tjockt! ftast anges ozonhalten i atmosfären i dobsonenheter, DU, från engelskans Dobson Unit. Man har utformat enheten 1 DU så att ett 3 mm tjockt ozonskikt motsvarar 300 DU. Det betyder att 1 DU motsvarar ett 0,01 mm tjockt ozonskikt. Kväveoxider och freoner förstör ozonskiktet zonet i stratosfären sönderdelas av vissa gasformiga ämnen som har passerat oförändrade från markytan upp till ozonskiktet därför att de är särskilt stabila. Sådana ämnen är kvävemonoxid och metylbromid samt en grupp av ämnen som betecknas CFC 1. Det är halogenalkaner vars molekyler innehåller både klor- och fluoratomer. zonet i stratosfären sönderdelas av vissa gasformiga ämnen som har passerat oförändrade från markytan upp till ozonskiktet därför att de är särskilt stabila. Sådana ämnen är kvävemonoxid och metylbromid samt en grupp av v ämnen som betecknas CFC. Det är halogenalkaner vars molekyler innehåller både klor- och fluoratomer. Beteckningen CFC kommer av eng. chlorofluorocarbons. På svenska säger vi klorfluorkarboner eller freoner. UV-strålning Figur 15.9. I stratosfären sönderdelas freonmolekylerna av UV-strålningen. Då bildas fria kloratomer som reagerar med ozonmolekylerna. En enda kloratom kan förstöra tusentals ozonmolekyler. freonmolekyl CFCl 3 Cl F C Cl UV-strålning Cl Cl ozon 3 osv Cl syrgas 2 Cl Cl 1 Beteckningen CFC kommer av eng. chlorofluoro carbons. På svenska säger vi klorfluorkarboner eller freoner. Kvävemonoxid reagerar på samma sätt som freonerna. Det är inte bara bilarnas motorer som producerar kolmonoxid utan också flygets jetmotorer. När N-molekylerna från höghöjdsflyget kommer upp i ozonskiktet oxideras de av 3 -molekylerna till N 2 -molekyler. Men dessa reage- 299

rar snabbt med de fria syreatomer som annars skulle ha bildat ozonmolekyler: N + 3 N 2 + 2 N 2 + N + 2 N-molekylerna återbildas alltså och kan sedan reagera med nya ozonmolekyler. En kedjereaktion har startat. Eftersom de farliga partiklarna, N och Cl, ständigt återbildas kan nedbrytningen av ozonskiktet fortsätta under lång tid även om tillförseln av freoner respektive kvävemonoxid upphör. Mätningar av ozonskiktets tjocklek har utförts under många år och på många platser, bl.a. av SMHI i Norrköping. Ännu kan man inte se någon återhämtning av ozonskiktet, möjligen har minskningen avstannat. Men läget är allvarligt. Man anser nämligen att redan en liten minskning av skiktets täthet kan få allvarliga följder för både växt- och djurlivet på jorden. De försurande effekterna av nedfall och markanvändning skall underskrida gränsen för vad mark och vatten tål. Nedfallet av försurande ämnen skall heller inte öka korrosionshastigheten i tekniskt material eller kulturföremål och byggnader. Miljömål 3. Bara naturlig försurning Det är livsviktigt för både växter och djur att syrabasbalansen i den yttre miljön är rätt. Så är det inte överallt i Sverige eller i andra länder. Man har i flera decennier känt till att regnvattnet fått lägre ph än normalt och att naturen hållit på att försuras, utan att inse vilka följderna skulle bli. Idag är 25 000 av Sveriges 90 000 sjöar så försurade att bara försurningståliga växt- och djurarter kan leva där. Även byggnader och värdefulla kulturföremål av kalksten och sandsten har skadats av det sura regnet. Järnföremål har också förstörts, eftersom järn rostar mycket snabbare i sur miljö än i ren luft. Försurningen av naturen beror i första hand på den sura nederbörden som sin tur beror på sura förbränningsgaser från fabriker, bostäder och Figur 15.10. Genom förbränning av fossila bränslen omvandlas och flyttas svavelföreningar från jordskorpan upp i atmosfären. Vid hög förbränningstemperatur bildas också kväveoxider. I atmosfären reagerar gaserna S 2 och N x med vattenånga och syre till svavelsyra, H 2 S 4, respektive salpetersyra, HN 3. 2 S + + 2 H 2 H S 2 2 2 2 4 4 N + 3 2 + 2H2 4HN3 S + N + 2 S 2 2 2 2N kol olja industri + 4 2 - H + S + H + N - 3 300

från transporter. Återigen är det svaveldioxid och kvävedioxid som orsakar problemen. Tack vare effektiv rening av rökgaser och bilavgaser har vi i Sverige kunnat minska utsläppen av sura gaser till så låga nivåer att vissa delmål redan är uppnådda. Men gaserna känner inga nationsgränser och därför är vi också beroende av hur andra länder agerar. Luftföroreningar förs med vindar långa sträckor och vi är särskilt utsatta för föroreningar som förs hit från kontinenten och Storbritannien. Gemensam lagstiftning är nödvändig för att komma till rätta med dessa problem. Nu ska vi först se lite närmare på de kemiska reaktioner som leder till att naturen försuras och sedan studera hur försurningen motverkas i naturen. Kapitel 15 Det är inte bara sura gaser som försurar Svaveldioxid ger svavelsyra. När svaveldioxid kommer ut i luften (från människans verksamhet och från vulkanutbrott) reagerar den så småningom med syre och vattenånga och bildar svavelsyra: 2S 2 + 2 + H 2 2H 2 S 4 (a) Kväveoxider ger salpetersyra. Kvävedioxid reagerar med syre och vattenånga i luften till salpetersyra: 4N 2 + 2H 2 + 2 4HN 3 (b) Svavelsyran och salpetersyran som bildats i reaktionerna (a) och (b) ovan transporteras med regnen ner till marken, se figur 15.10. Eftersom båda syrorna är mycket starka kan regnvattnet få kraftigt sur reaktion. På vissa håll har man uppmätt ph-värden neråt 3. Basen ammoniak kan också försura. Både naturlig gödsel och konstgödsel innehåller (och bildar) ammoniak. I bilarnas katalysatorer bildas också en del ammoniak. Vi har ju lärt oss att ammoniak är en bas. Därför kan det tyckas märkligt att ammoniak försurar. Det sker när ammoniaken oxideras. I syrerika vatten- och växtmiljöer finns nitrifikationsbakterier som kan oxidera ammoniumjoner och utnyttja energin som frigörs. I steg 1 nedan protolyseras en ammoniakmolekyl och i steg 2 oxideras ammoniumjonen till nitratjon: NH 3 + H 2 NH 4 + + H (1) NH 4 + + 2 2 N 3 + H 2 + 2H + + energi (2) Eftersom NH 3 -molekylen bildar en H -jon i steg (1) och två H + -joner i steg (2) så blir det en nettoförsurning med en H + -jon per NH 3 -molekyl. 301

År 2010 skall högst 5 % av antalet sjöar och högst 15 % av sträckan rinnande vatten i landet vara drabbade av försurning som orsakats av människan. Delmål 1. Försurning av sjöar och vattendrag I flera områden av vårt land, framför allt i de västra delarna, har vattnets ph-värde sjunkit så kraftigt att djurlivet skadats allvarligt. rganismer som har kalkhaltiga skal får svårigheter när ph sjunker. Många växtoch djurarter dör ut när ph sjunker under 5. Försurade sjöar är därför artfattiga. Vi ska nu se varför vissa av landets sjöar och vattendrag är särskilt känsliga för försurning. HC 3 joner ska dämpa surstötarna Både sjövatten och markvatten innehåller buffrande ämnen, framförallt syrabasparet H 2 C 3 / HC 3. Luftens koldioxid löser sig något i vattnet och bildar kolsyra, H 2 C 3. Den är ju en svag syra: C 2 (g) + H 2 H 2 C 3 (aq) (a) H 2 C 3 (aq) + H 2 H 3 + (aq) + HC 3 (aq) (b) När det kolsyrahaltiga, svagt sura vattnet rinner över eller genom karbonathaltig mark, löser det ut mineral, t.ex. kalciumkarbonat: CaC 3 (s) + H 3 + (aq) + HC 3 (aq) Ca 2+ (aq) + 2HC 3 (aq) + H 2 (c) Vatten från karbonathaltiga trakter kommer därför att innehålla relativt hög halt av syrabasparet (buffertsystemet) H 2 C 3 / HC 3. m en sjö med sådant vatten får ta emot surt regn neutraliserar HC 3 - jonerna åtminstone en del av vätejonerna: H + (aq) + HC 3 (aq) H 2 C 3 (aq) (d) Tack vare HC 3 -jonerna blir ph-sänkningen inte så stor som den annars skulle ha blivit. Sjöar som ligger i kalkstenshaltiga trakter tillförs ständigt vatten som innehåller vätekarbonatjoner (reaktion c) och om syratillförseln bara är tillfällig kan ph så småningom återgå till det ursprungliga värdet. Reaktion (d) leder först till att koncentrationen av H 2 C 3 ökar i vattnet. Men åtminstone en del av kolsyran faller sönder till H 2 - och C 2 -molekyler genom att reaktion (a) går åt vänster. m HC 3 -jonerna tar slut dör sjön m en sjö ständigt får ta emot surt vatten hinner HC 3 -jonerna inte ersättas lika snabbt som de förbrukas. När HC 3 -koncentrationen minskar, avtar vattnets buffrande förmåga. Så småningom kan de buffrande ämnena ta slut. Då sjunker vattnets ph nedåt 4 5, dvs. till samma ph som det sura regnet har. Detta har inträffat för sjöar som saknar kalkstenshaltig berggrund i södra och västra Sverige samt i Mellansverige. Man försöker rädda försurade sjöar genom kalkning, dvs. genom att 302

sprida finkrossad kalksten (CaC 3 ) eller dolomit (MgC 3. CaC 3 ) över sjöarna, se figur 10.2 på s. 170. Kapitel 15 Före år 2010 skall trenden mot ökad försurning av skogsmarken vara bruten i områden som försurats av människan och en återhämtning skall ha påbörjats. Delmål 3. Försurning av skogsmark Skogsmarken kan försuras, dels på grund av att regnet är surt, dels på grund av det skogsbruk man bedriver. Ett träd som växer, tar upp positiva joner genom rötterna, samtidigt som det avger vätejoner för att bevara jonbalansen. Därför blir markvattnet allt surare. Men markvattnets ph kan höjas igen när trädet dör. m trädet får ligga kvar, bryts veden ner och då frigörs basiska ämnen. Men vid avverkning skördas träden och de basiska ämnena förs bort från kretsloppet. Flödet har blivit linjärt. Man försöker sluta kretsloppet genom att sprida aska som bildats vid förbränning av biobränslen. Då motverkar man försurningen genom att återföra de basiska ämnen som träden förbrukade när de växte i skogen. Markvattnets ph har sjunkit Markvattnet kan innehålla flera buffertsystem men H 2 C 3 HC 3 -systemet är viktigast också här. Markvattnets försurning följer samma mönster som sjövattnets: ph-sänkningen är störst i kalkstensfattiga delar av södra och västra Sverige samt i Mellansverige. I Stockholmstrakten t.ex. har marken blivit 30 gånger surare på 30 år (ph-sänkningen är alltså 1,5). 2H + H + Na + Mg 2+ Ca 2+ Al 3+ + H K + 2H + tas upp från markvattnet Humus- eller lerpartikel Metalljoner i marken kan bytas ut mot vätejoner I marken finns vissa ämnen både oorganiska och organiska som fungerar som jonbytare. Som namnet säger byter sådana ämnen ut joner av ett slag mot joner av ett annat slag. De oorganiska jonbytarna är silikatmineral som finns i bl.a. lerjord. De organiska jonbytarna är humusämnen som bildas när organiskt material bryts ned i naturen. De jonbytande ämnena kan verka ph-reglerande. Då binder de vätejoner och frigör i stället metalljoner, t.ex. kalium-, magnesium- eller kalciumjoner, se figur 15.11. De naturliga jonbytarna består ofta av magnesiumhaltiga silikater som kallas zeoliter. m vi låter MgZ(s) betyda det fasta zeolitmineralet, kan vi skriva formeln för utbytesreaktionen så här: Mg 2+ H + Na + H + Ca 2+ H + Al 3+ + H K + och i stället avges Mg 2+ Figur. 15.11. I marken finns humusoch lerpartiklar som fungerar som jonbytare. De verkar buffrande genom att ta upp vätejoner och avge metalljoner. MgZ(s) + 2H + (aq) Mg 2+ (aq) + H 2 Z(s) Detta är en naturlig urlakningsprocess och den är nyttig inte bara för att H + -joner binds, utan också för att de frigjorda metalljonerna är växtnäringsämnen och ingår i det naturliga kretsloppet. Det gäller framför allt K + -, Mg 2+ - och Ca 2+ -joner. De tas upp av växterna och återförs till markens humus när växterna förmultnar. Men om marken blir alltför försurad, frigörs metalljonerna i större mängd än vad växterna kan ta upp. Då förs jonerna ut i sjöar och hav och jorden utarmas så småningom på näringsämnen. När ph-värdet sjunker under 5 kan det frigöras fler metalljoner än de vi nyss nämnde, bl.a. Al 3+ -joner, se figur 15.11. Man vet nu att aluminiumjoner kan skada växternas rötter och störa upptagningen av näringsämnen. 303

H + -joner tillförs Figur. 15.12. Buffertsystem som reglerar markens ph. Basparet H 2 C 3 /HC 3 fungerar ned till ph ca 6,5. Vid lägre ph dominerar jonbytesreaktioner. Då tas H + -joner upp ur vattnet samtidigt som metalljoner frigörs. Figur 15.13. På väggarna i den här gropen kan man tydligt se de olika jordlagren i skogsjord, s.k. podsol. Överst finns förnan som består av rester av döda växter. Förnan bryts sakta ned och bildar ett ofta tunt humuslager, s.k. mår. Därunder kommer ett ljusgrått skikt, blekjorden. Den ljusa färgen beror på att surt markvatten fört bort humusämnen och mineralsalter, t.ex. järnföreningar. Salterna har åter fällts ut i nästa skikt, det bruna rostskiktet. Därunder finns opåverkad mineraljord. 8 7 4 3 ph regleras av buffertsystemet H 2 C 3 HC 3 HC 3 (aq) + H + (aq) H 2 C 3 (aq) H 2 + C 2 (g) 6 ph regleras genom jonbyte (humus, lerpartiklar), figur 15.11 t.ex. MgZ(s) + 2H + (aq) Mg 2+ (aq) + H 2 Z(s) 5 H + binds, en och tvåvärda metalljoner frigörs ph regleras genom att H + binds och Al 3+ frigörs t.ex. AlZ(s) + 3H + (aq) Al 3+ (aq) + H 3 Z(s) Det här kan vara en av orsakerna till att träd dör i försurade områden. På en del håll i sydvästra Sverige har försurningen nått ända ned till 2 á 3 meters djup i marken. Då är det till och med risk att aluminiumjonerna kommer ut i grundvattnet, dvs. i det vatten som används som dricksvatten, se figur 15.12. Tungmetaller som under tidernas lopp kommit ut i naturen har i allmänhet bildat föreningar som är så gott som olösliga vid ph 6 7. De har där- 304

för inte ställt till några bekymmer så länge vattnets ph hållit sig vid dessa värden. Det gäller t.ex. bly, krom, kadmium och kvicksilver. Men när ph sjunker under 5 löses en del av föreningarna, se figur 15.12. Då kan halten av metalljoner bli oroväckande hög i markvattnet. Genom växterna kan de skadliga metalljonerna komma in i växtätande djur och sedan vandra vidare i näringskedjorna. Kapitel 15 Halterna av gödande ämnen i mark och vatten skall inte ha någon negativ inverkan på människors hälsa, förutsättningarna för biologisk mångfald eller möjligheterna till allsidig användning av mark och vatten. ammoniak luft platinanät Miljömål 7. Ingen övergödning Normalt sett råder brist på lättillgängligt kväve (N) och fosfor (P) i naturen. Men under 1900-talets senare hälft ändrade människan på förhållandena, både medvetet och omedvetet. Nu gynnas snabbväxande växtarter av den ökade näringstillgången medan arter med långsam tillväxt som trivs i näringsfattiga miljöer konkurreras ut. Vi ska se hur tillgången på näringsämnen i naturen har förändrats. Kväve I början av 1900-talet lyckades en tysk kemist, Fritz Haber, få luftkväve att reagera med väte och bilda ammoniak. En annan tysk kemist, Carl Bosch, utvecklade Habers laboratoriemetod till en storindustriell process, se s. 246. Framställning av ammoniak enligt Haber-Boschmetoden är nu en av världens största kemiska industrier (ca 150 miljoner ton ammoniak framställs per år), se tabell 10.3 på s. 183. En del av ammoniaken används för framställning av salpetersyra genom en metod som kallas stwaldprocessen, se figur 15.14. Ammoniaken förbränns först till kväveoxid, N, och vatten (med platina som katalysator): 4NH 3 + 3 2 4N + 2H 2 Sedan får kväveoxiden reagera med vatten och mera syre till salpetersyra: 4N + 2H 2 + 3 2 4HN 3 Både ammoniumföreningar och nitrater är viktiga kvävegödselmedel. Du har exempel på tre sådana i tabell 4.2 på s. 64. nitrösa gaser vattenånga och luftåterstod Figur 15.14. Vid framställning av salpetersyra i stor skala är det första steget förbränning av ammoniak till kvävemonoxid. Man använder platina som katalysator, se bilden ovan. Fosfor Växterna tar upp fosfor (P) i form av fosfatjoner: H 2 P 4 om markens ph är lågt, och som HP 4 2 om ph är högt. Fosfatgödselmedel framställs av ett svårlösligt fosfatmineral som kallas apatit. Apatiten överförs till ett vattenlösligt fosfat genom behandling med svavelsyra. 3Ca 3 (P 4 ) 2 CaF 2 + 7H 2 S 4 3Ca(H 2 P 4 ) 2 + 7CaS 4 + 2HF Då bildas kalciumdivätefosfat (superfosfat), gips och giftig vätefluorid. Ungefär 95 % av superfosfatet är vattenlösligt. Vårt moderna och effektiva jordbruk kräver enorma mängder fosfat. Fosfor är en ändlig resurs och bryts på några få ställen på jorden. 305

Figur 15.15. För att kunna bedriva jordbruk måste man återföra lika mycket näring till jorden som man tar ut. I dagens konventionella jordbruk används stora mängder konstgödsel, som består av industriellt behandlade mineraler. Konstgödseln NPK, som sprids ut på åkern på bilden, innehåller kväve (N), fosfor (P) och kalium (K). nerbrytare konsumenter jämviktsflöde producenter näringstillskott näringsupptag växande pool av näringsämnen Figur 15.16. Normalt råder ett jämviktsflöde mellan de fotosyntetiserande organismernas upptag av näringsämnen och nerbrytamas frisättning av näringsämnen. En ökad näringstillförsel stör jämviktsflödet med risk att ett linjärt flöde bildas. Övergödning Även om växtnäringsämnena är lättillgängliga för grödorna så förmår dessa inte ta upp all tillförd näring. En hel del läcker ut till omgivningen och sprids vidare till sjöar, vattendrag och kustnära vatten. Här lever alger och cyanobakterier (kallades tidigare blågröna alger) som välkomnar den extra näringen genom att växa till och föröka sig. m de organismer som lever av algerna inte förmår konsumera alla alger så uppstår algblomning. Det är ett tydligt tecken på att vattnet blivit övergött. Algerna gynnas av hög näringstillförsel och låg vattenomsättning. Då bildas en pool av näringsämnen och jämviktsflödet är brutet. Ett linjärt flöde har bildats. Man är ganska säker på att det är brist på fosfat som begränsar tillväxten i sjöar och åar under normala förhållanden. Men det råder delade meningar om vilket av ämnena, kväve eller fosfor, som orsakar övergödningen i västerhavet och i Östersjön och vilka åtgärder som ska vidtas. På webben försöker vi följa den utvecklingen. Figur 15.17. Cyanobakterier på drift i Karlskrona skärgård 2005. Under sommaren har SMHI daglig satellitövervakning av cyanobakteriernas utbredning i Östersjön. 306

Grundvattnet skall ge en säker och hållbar dricksvattenförsörjning samt bidra till en god livsmiljö för växter och djur i sjöar och vattendrag. Miljömål 9. Grundvatten av god kvalitet Varför har just grundvatten fått ett eget miljömål? Jo, det beror förstås på att rent vatten är ett livsviktigt livsmedel. En stor del av grundvattnet som pumpas upp utnyttjas som dricksvatten och måste därför vara rent och giftfritt. På de allra flesta ställen i Sverige är grundvattnet fortfarande av god kvalité. Grundvattnets kvalité är starkt beroende av hur vi hanterar de övriga miljömålen eftersom grundvattnet ingår som en del av vattnets kretslopp. Solen värmer ytvatten i hav och sjöar. Vattnet bildar ånga som stiger upp och bildar moln. När molnen kommer in över land eller når tillräckligt högt upp i en kyligare del av atmosfären kondenserar vattnet och bildar tunga droppar som faller ner. På sin väg ner mot jorden kan luftföroreningar i atmosfären lösas i vattnet, se Frisk luft och Bara naturlig försurning. När regnet når jordskorpan löses ännu fler ämnen i vattnet, både naturliga och syntetiska. Därför är det mycket viktigt att vi håller vattnets väg mot vattenförråden nere i marken så fri från föroreningar som möjligt. Grundvattnet rör sig ganska långsamt mot hav och vattendrag, vilket betyder att föroreningar som löses i grundvattnet stannar kvar där under lång tid. Kapitel 15 Halten av växthusgaser i atmosfären skall i enlighet med FN:s ramkonvention för klimatförändringar stabiliseras på en nivå som innebär att människans påverkan på klimatsystemet inte blir farlig. Målet skall uppnås på ett sådant sätt och i en sådan takt att den biologiska mångfalden bevaras, livsmedelsproduktionen säkerställs och andra mål för hållbar utveckling inte äventyras. Sverige har tillsammans med andra länder ett ansvar för att det globala målet kan uppnås. Miljömål 1. Begränsad klimatpåverkan Från 1860 och framåt finns data över jordens medeltemperatur. Under den här perioden har medeltemperaturen stigit med 0,6 C. Den senaste tioårsperioden är den varmaste som uppmätts sedan mätningarna inleddes. Varmare klimat leder till höjda havsnivåer därför att glaciärer och inlandsisar smälter. Ingår den här temperaturhöjningen i en serie av naturliga variationer? I vilken utsträckning har uppvärmningen samband med människans verksamhet? Hur ser eventuella samband ut? Det här är frågor som forskarna arbetar med. För att kunna följa med när de här frågorna diskuteras, och ta ställning till åtgärder som föreslås, är det bra om man känner till vissa begrepp som ofta återkommer. Värmestrålning m man lyser på föremål med mörk yta blir föremålet varmt (allra bäst fungerar en svart yta). Molekylerna i ytan tar upp ljusenergi som då omvandlas till rörelseenergi, dvs. ytans temperatur stiger. Men energiomvandlingen går också i den motsatta riktningen från rörelseenergi till strålningsenergi. Molekylerna i ytan sänder ut värmestrålning. Den har längre våglängd än synligt ljus och kallas oftast infraröd strålning eller IR-strålning. Ungefär 30 % av all solstrålning som kommer in till jorden reflekteras tillbaka ut i rymden av moln, av olika ämnen i atmosfären och av jordytan, se figur 15.18. I figur 12.1 på s. 231 såg vi att den strålning som jor- 307

den tar emot omvandlas till flera olika energiformer, t.ex. till rörelseenergi hos vindar och strömmande vatten, till kemisk energi i ämnen som bildas i fotosyntesen osv. Men den största delen av den inkommande strålningen tas upp av jordytan och haven, vilket leder till att havsvattnet och marken värms upp. Vatten har högre värmekapacitet än marken. Vid kusten råder därför mindre skillnader mellan dag- och nattemperatur än i inlandet. Figur 15.18. När solstrålarna träffar jordytan omvandlas strålningsenergin till rörelseenergi hos molekyler i jordytan. Molekylerna sänder sedan ut värmestrålning, dvs. IR-strålning, i alla riktningar, mest mot rymden. En del av IR-strålningen absorberas av vissa luftmolekyler, t.ex. H 2 - och C 2 -molekyler. De sänder sedan ut ny IR-strålning i alla riktningar, också mot jordytan. På så sätt håller atmosfären kvar en del av den värmestrålning som annars skulle gått direkt ut i världsrymden. Växthuseffekten All energi som jorden tar emot från solen sänds till slut ut som värmestrålning men denna når inte omedelbart ut i rymden. En del av värmestrålningen absorberas av molekyler i atmosfären som därför värms upp något. När molekylerna sedan sänder ut värmestrålning, sprids energin i alla riktningar. En del av den sänds tillbaka till jordytan. Atmosfären bildar på så sätt ett relativt varmt isolerande skikt runt jorden. Man brukar likna atmosfären vid glasrutorna i ett växthus: rutorna släpper igenom ljus men håller kvar värmen. Tack vare atmosfärens s.k. växthuseffekt är jordens medeltemperatur +15 C istället för 20 C. Utan växthuseffekten skulle de flesta av jordens livsformer inte existera. AT M S F Ä R E N Inkommande strålning: 343 W per m 2 En del solstrålning reflekteras av atmosfären och jordytan. Reflekterad solstrålning: 103 W per m 2 Den infraröda strålningen passerar genom atmosfären, ut i rymden. Utflöde av infraröd strålning: 240 W per m 2 Instrålning ning ng från solen: 240 0 W per m 2...och omvandlas till värme som återstrålar ut i rymden som IR-strålning. J R D E N Solenergin absorberas av jord och vatten... 308

Fotnot: Freoner är egentligen ett produktnamn som kemikalietillverkaren Du Pont valde för sina CFC-föreningar. Växthusgaser Den viktigaste växthusgasen är atmosfärens vattenånga den ger det största bidraget till växthuseffekten. Men det finns många andra gaser i atmosfären som tar upp värmestrålning och därför räknas till växthusgaserna. Det gäller framför allt koldioxid, metan, dikväveoxid och olika gasformiga halogenföreningar, t.ex. halogenalkanerna CFC. Däremot absorberar tvåatomiga molekyler som N 2 och 2 inte värmestrålning. Du kan läsa mer om det här på webben. Du såg på s. 299 att CFC är beteckning för ett antal klor-fluorhaltiga halogenalkaner som vi oftast kallar klorfluorkarboner eller freoner. De hade stor teknisk användning på 1970- och 1980-talen men sedan 1987 är tillverkning och användning av CFC reglerad i internationella avtal. År 1996 kom man överens om att helt förbjuda produktion av dem inte främst för deras roll som växthusgaser, utan för att de bryter ned ozonskiktet, se s. 298. I stället skulle man använda mjuka freoner, HCFC. Deras molekyler innehåller minst en väteatom. Det gör att de kan brytas ned redan i den nedre delen av atmosfären, den s.k. troposfären. Men det har visat sig att en hel del HCFC-molekyler når ända upp till ozonskiktet i stratosfären. Därför ska också produktionen av HCFC avbrytas. År 2030 ska alla freoner vara ersatta med miljövänliga ämnen. Tabell 15.1. De vanligaste växthusgaserna. GWP-faktorn är baserad på tidsrymden 100 år. GWP står för Global Warming Potential, se nästa sida. Kapitel 15 Namn Koncentration före (ppm) Koncentration Livstid i Utsläppskällor GWP 100 industrialiseringen (ppm)1998 atmosfären Vattenånga 1 3 1 3 några dagar Koldioxid 280 365 varierande fossila bränslen, 1 C 2 cementtillverkning, förändrad landanvändning Metan 0,7 1,75 12 fossila bränslen, risfält, 23 CH 4 sophögar, boskap Lustgas 0,27 0,31 114 gödningsmedel, 296 N 2 förbränning i industriella processer HFC 23 (CHF 3 ) 0 0,000014 260 elektronik, 120000 kylanläggningar Koldioxid förstärker växthuseffekten Förbränningen av fossila bränslen, dvs. kol, olja och gas, har ökat kraftigt sedan industrialismens genombrott vid 1700-talets mitt. Det har medfört att atmosfären har tillförts mycket stora mängder koldioxid. Utsläppen var särskilt stora under 1900-talets senare hälft. De flesta forskare anser att atmosfärens växthuseffekt har ökat och att detta främst beror på att halten koldioxid har ökat i atmosfären. Mätningar tyder också på att det finns ett samband mellan atmosfärens temperatur och halten koldioxid, se figur 15.19. 309