Atmosfærens kemi og globale klimaforandringer

Professor Ole John Nielsen, Kemisk Institut, Københavns Universitet. ojn@kiku.dk

Vores syn på den atmosfære der omgiver os, har ændret sig ganske drastisk de sidste halvtreds år. Tidligere betragtede videnskabsfolk atmosfæren som værende en ureaktiv kappe der omslutter Jorden. Man havde kvantificeret de hyppigst forekommende gasser i atmosfæren: Nitrogen, oxygen, ædelgasserne, kuldioxid, vand og ozon. Det er forholdsvis ureaktive stoffer rent kemisk, og det regnede man derfor med at atmosfæren også var.

I 1960’erne kom de første systematiske målinger af CO2, som viste at koncentrationen var steget jævnt siden målingerne var påbegyndt i 1958. Disse målinger dokumenterede for første gang at CO2 koncentrationen i atmosfære var stigende og modulleret af sæsonvariationer i fotosyntesen i den terrestriske biosfære. Siden hen er tilsvarende stigninger konstateret for en lang række andre gasser som fx metan og lattergas.

I begyndelsen af 1980’erne viste målinger af ozonsøjlen over Antarktis en kraftig formindskelse af ozonkoncentrationen i det Antarktiske forår. Det såkaldte ozonhul var forårsaget af menneskeskabte gasser. Nyere studier viser en sammenhæng mellem indholdet af luftbårne partikler i byluft og hyppigheden af lungekræft.

Fremkomsten af nye detektionsmetoder har afsløret et væld af kemiske forbindelser i atmosfæren, og vi begynder langsomt at forstå det komplicerede samspil der er mellem naturlige og menneskeskabte kemiske forbindelser, samt hvordan de nedbrydes - og det står fast, at atmosfæren ikke er en uendelig størrelse, men en størrelse som vi er i fuld gang med at ændre ved vore aktiviteter.

Drivhuseffekten

Solens gennemsnitlige energi-input ved toppen af Jordens atmosfære er 342 W m-2. Der reflekteres ca. 107 W m-2 som giver 235 W m-2 til opvarmning af Jorden. For at opretholde energibalancen køler Jorden sig ved at udsende infrarød stråling som et sort legeme. Det har været kendt i over hundrede år at vanddamp, CO2 og CH4, naturligt tilstede i Jordens atmosfære, bidrager til en opvarmning af Jorden ved deres absorption af Jordens varmestråling.

Det er det, vi kalder for drivhuseffekten. I folkemunde har ordet fået en negativ klang, men uden drivhuseffekt ville gennemsnitstemperaturen ved jordoverfladen være ca. -30 grader Celcius og verdenshavene være frosset til is. Vi skylder kort sagt drivhuseffekten vor eksistens!

Det er værd at bemærke, at de tre gasser der udgør 99% af atmosfæren (kvælstof, ilt og argon) slet ikke absorberer i det infrarøde område. De væsentligste drivhusgasser er vand og CO2, som indtager en fjerde og femteplads på listen over stoffers forekomst i atmosfæren. For at kunne absorbere i det infrarøde kræver det, at molekylets dipolmoment ændrer sig, når molekylet vibrerer.

Menneskeheden har påvirket miljøet de sidste par tusinde år gennem afskovning og ændrede jordbrugsvaner, men det var først med den industrielle revolution i det 19. århundrede, at vores forandring af atmosfærens kemiske sammensætning for alvor tog fart. En af de første til at påpege, at udslippet af CO2 ved afbrændingen af fossile brændstoffer kunne få den globale temperatur til at stige, var den svenske kemiker Svante Arrhenius, som 1896 forudsagde, at en fordobling af indholdet af CO2 i luften ville medføre en temperaturstigning på 5-6º C.

Siden 1958 har man foretaget systematiske målinger af atmosfærens indhold af CO2 (se figur 1) som viser en jævn stigning af CO2-koncentrationen i atmosfæren. Også andre drivhusgasser forekommer i stadig stigende koncentrationer, f.eks. metan, lattergas.

1: CO2 indholdet i luften over Mauna Loa, Hawaii og på Sydpolen. Grafen viser en jævn stigning i CO2 koncentrationen siden 1958 hvor målingerne påbegyndtes. Man ser desuden den sæsonafhængige variation der skyldes, at CO2 om sommeren optages i biosfæren ved fotosyntese (IPCC 2007)

Der ingen tvivl om at stigningen i koncentrationen af drivhusgasser i atmosfæren vil få temperaturen til at stige.

Hvad gør en gas til en kraftig drivhusgas?

For at bidrage til drivhuseffekten skal en gas helst absorbere i spektralområdet mellem 0.7 og 1.5 mikrometer hvor Jordens varmeudstråling topper. Men det betyder også meget, at absorptionen finder sted i områder, hvor der ikke findes stærke spektralbånd fra andre molekyler der i atmosfæren forekommer i høj koncentration, såsom CO2, O3, H2O og CH4. Endvidere er det oplagt, at større koncentration giver mere absorption ligesom molekylernes levetid spiller en afgørende rolle: Jo længere levetiden er, jo mere kan de nå at absorbere før de er forsvundet. 

Molekylernes levetid

I atmosfæren er der - afhængigt af de pågældende molekylers kemiske egenskaber - adskillige måder hvorpå gasser fjernes. De vigtigste er

- optagelse i væskefasen.

Stoffer der er opløselige i vand kan opløses i oceanerne og i dråber i atmosfæren som herefter udfældes som nedbør. CO₂, der stort set er kemisk ureaktivt, forsvinder på sidstnævnte måde. Et andet eksempel er svovldioxid fra afbrænding af svovlholdigt kul, der omdannes til svovlsyre i atmosfæren. Svovlsyreholdig nedbør har på denne måde bidraget alvorligt til en forsuring af floder og søer op gennem 80’erne. I dag er problemet mindre, da miljøregulativer har ført til mindre udledning af SO2.

- fotolyse.

Mange kemiske bindinger kan brydes når de rammes af sollys. I stratosfæren absorberer ilt effektivt næsten al UV-stråling med en bølgelængde mindre end 250 nm. Ozon fotolyseres af stråling med bølgelængde kortere end 310 nm. Selvom hovedparten af denne stråling fjernes i stratosfæren, trænger lys med denne bølgelængde langt nok ned i atmosfæren til at kunne spalte ozon i troposfæren. Det fraspaltede ilt-atom kan reagere med vand og danne to OH radikaler, der er særdeles reaktive:

Det er den vigtigste kilde til hydroxyl-radikaler, som initierer nedbrydningen af mange stoffer i atmosfæren.

- reaktion med stoffer som OH, O₃, og Cl .

De fleste af de organiske molekyler der er til stede i atmosfæren indeholder brint, og for dem er reaktion med OH det væsentligste dræn i troposfæren. Hvis et stof ikke indeholder brint, er det stort set ureaktivt, og så får stoffet en lang levetid hvorved det kan transporteres op i stratosfæren.

2. Figuren viser koncentrationerne af CO2, CH4 og N2O i atmosfæren de seneste 8000 år bl.a. målt i luftbobler i iskerner i Grønland og på Antarktis. Som det ses er udviklingen i koncentrationerne af de 3 drivhusgasser analoge. Det er klart at denne stigning er knyttet til menneskelig aktivitet (IPCC 2007).

Når atmosfæreforskere skal bestemme hvor meget de enkelte drivhusgasser hver især bidrager til at forøge drivhuseffekten, må man således kende gassernes strålingsegenskaber samt hastigheden hvormed stoffet fjernes fra atmosfæren. Sidstnævnte foregår bl.a. ved at bestemme hastighedskonstanterne for de enkelte reaktioner, hvilket foregår i eksperimentelle kamre i laboratoriet, hvor man undersøger reaktionerne under varierede tryk- og temperaturforhold for at efterligne forholdene forskellige steder i atmosfæren.

Ozonlaget og de “farlige” molekyler

Stoffer som udsendes som følge af menneskelig eller anden form for biologisk aktivitet, frigives ved jordoverfladen. Som en tommelfingerregel kan man regne med, at molekyler med en levetid på mindre end et år vil nedbrydes fuldstændigt i troposfæren. Øvrige molekyler vil transporteres op i stratosfæren hvor intensiteten af det mere kortbølgede UV-lys stiger, således at der til sidst bliver mulighed for at bryde bindinger der ellers ikke kunne brydes i troposfæren.

Dette er nøglen til forståelse af problematikken omkring CFC-gasserne og ozonlaget. CFC-gasser er kemisk ureaktive, og nedbrydes først ved fotolyse efter at de er transporteret højt op i stratosfæren. De frigjorte klor-, og brom-atomer deltager så i en uforstyrret kredsproces hvor de fungerer som katalysatorer for nedbrydningen af ozon. Eksempelvis kan man sammenligne to molekyler: CF2Cl2 har en levetid på 102 år, men erstatter man et kloratom med et brintatom (CF2HCl) bringes levetiden ned på 13 år. I industrien har man netop erstattet CFC-gasserne med gasser med de samme gode kemiske egenskaber, men med brintatomer i molekylet således at de kan nedbrydes allerede i troposfæren.

Ozon giver et temperaturfald og stigning

Nedbrydningen af ozon har som bekendt konsekvenser for mennesker, dyr og planter gennem den forøgede mængde UV-stråling der når Jorden fra Solen, men også klimaet påvirkes af ozonnedbrydningen. Normalt omdannes en del af den energi der optages i ozonmolekylet ved fotolysen til termisk energi i produkterne, men når ozonen fjernes sker der færre spaltninger. Dette giver anledning til en lokal nedkøling, som igen medfører at en mindre mængde varme ledes nedad.

Siden 1750 er ozonkoncentrationen i troposfæren steget 30-40% på grund af forøget udledning af organiske forbindelser og nitrogenoxider. Dette har forøget strålingsbalancen med ca. 0.35 W m-2 (figur 3). Denne forandring af strålingsbalancen varierer stærkt med tid og sted og vil ændre sig hurtig med ændringer i udledningen af ozondannende stoffer.

Ændring i strålingsbalancen forårsaget af ikke-drivhusgasser.

3: Strålingsforceringen der skyldes en række menneskeskabte og naturlige påvirkninger. Boksene angiver IPCCs vurdering af de enkelte størrelser, og bjælkerne usikkerhederne på de enkelte faktorer (IPCC 2007)

Figur 3 viser den gennemsnitlige relative ændring i strålingsbalancen siden 1750 forårsaget af drivhusgasser og andre mekanismer. Der er 4 kilder til ændring af strålingsbalancen som ikke direkte har noget med drivhusgasser at gøre: partikler, ændring i brug af landområder, fly-striber (”contrails”) samt variationer som skyldes Solen. De første tre kilder har direkte menneskeskabte komponenter hvorimod den sidste  er en ændring af strålingsbalancen, som vi mennesker ikke kan påvirke.

Den største usikkerhedsfaktor i vores nuværende forsøg på at kvantificere de enkelte bidrag til den temperaturændring vi har set, kommer fra partikler. Partikler kan køle ved at reflektere den indkommende stråling, eller de kan absorbere varmestråling og dermed bidrage til drivhuseffekten. Endvidere er partikler involveret i skydannelse, der også er med til at regulere temperaturen.

Status over atmosfærens tilstand

Der er mange forskellige måder hvorpå vores kemiske forandring af atmosfærens sammensætning påvirker det globale klima. I 1988 nedsatte de Forenede Nationer og den Internationale Meteorologiske Organisation et panel af højt anerkendte forskere med det formål at vurdere de informationer der er relevante for at opnå en vurdering af risikoen for at der faktisk finder en klimaforandring sted som følge af menneskelige aktiviteter. Dette er The Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC), som i år har udgivet deres fjerde rapport. IPCC konkluderer i rapporten:

“….. med meget høj grad af sikkerhed (>90%) har menneskelig aktivitet siden 1750 bidraget til opvarming med 1,6 W/m²…..”.

Samtidig står det fast at vi bliver flere og flere mennesker på Jorden, og at alle ønsker en højere levestandard hvilket vil forsøge presset på de begrænsede ressourcer der er til rådighed. Det vil blive en stor opgave for fremtidens ingeniører og videnskabsfolk at sikre, at disse problemer ikke sker på bekostning af det miljø som vi er en del af.

4: Det såkaldte “smogkammer” benyttes til eksperimentelle studier af atmosfærekemiske reaktioner. Selve kammeret er fremstillet af kvarts og er omgivet af UV-lamper hvis formål er at initiere den reaktion man ønsker at studere. Reaktionerne i kammeret følges med et spektrometer, der kan måle koncentrationer af alle de stoffer der absorberer i det infrarøde. Kammeret står på Kemisk Institut, Københavns Universitet (foto: Matthew S. Johnson)

I Copenhagen Center for Atmospheric Research (CCAR, støttet af FNU og Villum Kann Rasmussen Fonden) har vi en lang række forskningsprojekter, som beskæftiger sig med gassers og partiklers indflydelse på strålingsbalancen.

Ole John Nielsen er professor på Kemisk Institut, Københavns Universitet og arbejder med eksperimentelle studier af atmosfærekemiske reaktioner. Som medforfatter til n IPCC special-rapport, ”Safeguarding the ozonelayer and the global climate system” IPCC 2005, er han medmodtager af Nobels fredspris sammen med ca. 2500 and IPCC forfattere samt Al Gore.