Az emberi tevékenység és a légkör állapota

Dr. Keresztesi Miklós Hungary

A képen bolygónk és légköre látható. A Föld átmérője 12 742 km. Felette található a légkör, a bolygót körülvevő gázburok, amelyet a gravitáció tart a helyén. Tengerszinten mért légnyomás 101,3 kPa, amely a tengerszint feletti magasság növekedésével – a légkör ritkulásával – csökken. A folyamatos ritkulás miatt a légkör és a világűr között nincs éles határ. A légkör nem mozdulatlan légtömeg, főleg a napfény hője miatt állandó áramlásban van.

A légkört sávokra osztjuk a levegő fizikai tulajdonságai alapján. A légkör alsó rétege a troposzféra, amely az egyenlítőnél 17, a sarkok felett csak 7 km magasságig húzódó légréteg. Ezt a légréteget a földfelszín kisugárzott hője melegít fel, amelyben a hőmérséklet a magassággal csökken. A réteg felső határán folyik a légi közlekedés, itt a levegő hőmérséklete -50 ^o C.  A troposzférában találjuk a teljes légkör tömegének 80 %-át. A troposzféra felett van a sztratoszféra, amelynek felső határa 50 kilométerig terjed. 100 km magasságban húzódik a Kármán vonal, eddig terjed a Föld légköre.

A légkör állapotát meghatározza annak összetétele és jellemző paraméterei. Összetétele:78 % Nitrogén, 21 % Oxigén, 1 % egyéb (széndioxid, metán, ózon…). Paraméterei: nyomás, térfogat, hőmérséklet.

Jelen anyagban két problémát és következményeit mutatjuk be:

• Nő a légkörben a szén-dioxid koncentráció az emberi tevékenység következtében és ez növeli az alsó légkör átlag hőmérsékletét, amely globális felmelegedéshez vezet.  A szén-dixid koncentráció - földi élet szempontjából ideális - értéke 0,0280 % =280 ppm (part per million). Jelenleg a koncentráció az ideálisnál magasabb, 370 ppm.
• Csökken a sztratoszférában az ózon koncentráció az emberi tevékenység következtében. Ezért a biológiailag káros ultraibolya sugarak eljutnak a Föld felszínére. Az ózon koncentráció ideális értéke 0,0010 %=10 ppm. A koncentráció jelenlegi értéke az ideálisnál jóval kisebb. Ezért  nem szűri ki az ultraviola sugárzást, bőrünk rövid idő alatt leég a napon.

Hogyan alakult ki a szén-dioxid feldúsulása a légkörben, milyen emberi tevékenységek károsították a sztratoszférikus ózont?

Millió évvel ezelőtt az ősember (Homo Erectus) kezdte használni a tüzet és állatot tenyésztett.

A fa elég és szén-dioxid keletkezik. A légkörben a CO₂ koncentráció változás egészen a 18. századig nem jelentős.

Az állat szén-dioxidot és metánt emittál, de ez nem okozott problémát a légkörben az 1900-as évekig.

Az 1750-es években már jeletős volt az állattenyésztés, az ipari tevékenység, de egyik sem túlméretezett. A légkörbe juttatott metán, szén-dioxid üvegház hatása nem haladta meg a földi élet számára ideális értéket. Az ipari forradalom után megváltozott a légkör terhelése. Hőerőművek, gyárak kezdtek üzemelni. Nőtt a levegő szén-dioxid koncentrációja. A legeltetéses állattenyésztést felváltotta az intenzív állattenyésztés. Nagy mennyiségben került metán a légkörbe, amely a szén-dioxidhoz hasolóan globális felmelegedést tud okozni.

Az elmúlt 250 évben a közlekedésben, az energia termelésben, az iparban, háztartásokaban egyre nagyobb volumenben égett a gázolaj, szén, földgáz és keletkezett szén-dioxid. Jelentős szén-dioxid forrás a kb. 1400 Celsius fokon történő cementgyártás is.

Diesel motor hengerében gázolaj ég és szén-dioxid megy a légkörbe.

Hőerőműben szenet égetnek. A kéményen keresztül szén-dioxid távozik.

A háztartások sokaságában használják a gázt és jelentősek az ipari alkalmazások. 100 köbméter gáz elégetésekor kb. 192 kg. szén-dioxid keletkezik.

Egy tonna cement gyártásakor 830 kg szén-dioxid keletkezik.

Az ábra mutatja a legfontosabb szén-dioxid források (diesel olaj-, földgáz-, szén égetés, és cementgyártás) együttes, szén-dioxid kibocsátást 1900 és 2000 között. Az értékek világ adatok. A függőleges tengelyen az együttes emisszió milliárd tonna /év mértékegységben van megadva.  A szén-dioxid terhelés a vizsgált időszakban meredeken emelkedik.  A kibocsátás 2000-ben meghaladta a 6 milliárd  tonnát.

A szén-dioxid források után tekintsük a szén-dioxid nyelőket, az erdők szén-dioxid koncentrációt csökkentő folyamatait.

Vegetáció alatt a növény szén-dioxidot vesz fel a légkörből, vizet a talajból. A fenti egyenlet szerint napenergia hatására szőlőcukor és oxigén keletkezik a szénciklusban.

A szénciklus sötét fázisában a növény oxigént vesz fel és szén-dioxidot ad le. A világos fázisban felvett szén-dioxid nagyobb, mint a sötét fázisban leadott érték. Ebből adódik az erdők szén-dioxid koncentrációt csökkentő funkciója.

Vizsgáljuk meg a légkörbe jutó metán legnagyobb forrását, az állattenyésztést.

A szarvasmarha étkezési húst és tejet termel. A szarvasmarha populáció értéke 1,3 milliárd állat. A szén-dioxid kibocsátás mellett a szarvasmarha tenyésztés a legjelentősebb metán kibocsátó.

Jelentős a birka populáció, 1,8 milliárd, a csirke populáció, 18,4 milliárd, a sertés populáció 1 milliárd. Az állattenyésztés mellett a vízzel elárasztott rizsföldek is jelentős metánt juttatnak a légkörbe.

A szén-dioxid, a metán (és még a nem említett dinitrogén-oxid, az F-gázok) felelősek az éghajlat változásért. Ezek közül a legjelentősebb a szén-dioxid hatása az éghajlat változásra. A kutatók szerették volna tudni, hogy a szén-dioxid koncentráció mennyi lehetett több ezer évvel ezelőtt, amikor még az ember nem avatkozott be a természetbe.

A baloldali kép az Antarktiszon készült. A tengerszint feletti magasság néhány ezer méter. A felszín alatt megtalálható az elmúlt évek alatt esett hó is, mert az alacsony hőmérséklet miatt az nem olvad el. A laza szerkezetű hóréteg levegőt (és így szén-dioxidot) is tartalmaz abból a korból, amikor az a felszínt elérte. A kutatók mély furatot készítettek és nagy mélységből jégmintát vettek. 2500 m mélységből felhozott jégminta a 800 ezer évvel ezelőtti levegőt is tartalmaz a fagyott hóba zárva. A jégmintát laboratóriumban vizsgálva megállapítható az akkori szén-dioxid koncentráció.

A függőleges tengelyen a szén-dioxid koncentráció szerepel ppm egységben. 800 ezer évvel ezelőtt 280 ppm, 450 ezer évvel ezelőtt is 280 ppm volt a szén-dioxid koncentráció. 1900 és 2000 között - az erősen fejlődő ipari tevékenység miatt - nőtt a szén-dioxid koncentráció. 2000-ben elérte a 350 ppm szintet. Keressünk kapcsolatot a szén-dioxid koncentráció és a meleg napok száma között ugyanebben az idő intervallumban.

Elemezzük az ábrát! 1995-2000 között a "hőség riadós" napok száma rendre:11, 5, 21, 5, 24 (összegük 66). 1900-1905 között az adatsor 6, 2, 4,18, 19 (összegük 49). Az összegük azt mutatja, hogy emelkedett a forró napok száma. Matematikai statisztikai módszerekkel megbízhatóbb eredményre jutunk. Regressziós egyenest illesztve a mérési pontokra, azt kapjuk, hogy a vizsgált időszakban (1900 - 2000) a 25 Celsius fok feletti átlag hőmérsékletű napok száma emelkedett. Összevetve az előző két ábrát, azt látjuk, hogy 1900 - 2000 között emelkedett a légkörben a szén-dioxid koncentráció és vele együtt emelkedett a hőség riadós napok száma is. Miért melegszik a Föld, ha a légkörben szén-dioxid van? Fizikai ok az üvegház hatás.

A Napból érkező energia egy része visszaverődik a felhőkről és a Föld felszínéről. A sugárzás (400 nm ... 800 nm) másik része melegíti a felszínt. A felmelegedett Föld is sugároz az infravörös tartományban (>800 nm). Ezen sugárzás egy része elnyelődik a légkör szén-dioxid komponensén, másik része kijut az űrbe. Ezen két rész arányától függ a kialakult átlag hőmérséklet. Nagy szén-dioxid koncentrációnál felmelegedés következik be. A Naprendszerben a Vénusz légkörében igen magas a szén-dioxid koncentráció, amely a bolygón bent tartja a Naptól kapott energiát, hőmérséklete 460 celsius fok. A fenti ábra az üvegház hatást mutatja be, amelynek okozója a szén-dioxid. A szén-dioxidot üvegház hatású gáznak nevezzük. Nem egyedül a szén-dioxid rendelkezik ezzel a tulajdonsággal. A metán, a dinitrogén-oxid, az F-gázok is üvegház hatású gázok. Üvegház hatása van még a vízgőznek is, ezzel jelen anyagban azért nem foglalkozunk, mert ennek légköri koncentrációját az emberi tevékenység lényeges megváltoztatni  nem tudja.

Összefüggés van a légköri szén-dioxid koncentráció és a Föld átlag hőmérséklete között. Ha nem lenne a légkörben szén-dioxid, az 0 ppm koncentrációnak felelne meg, ekkor az átlaghőmérséklet -18 Celsius fok lenne, ami a földi élet számára ugyancsak kedvezőtlen. A szén-dioxid koncentráció ideális értéke 280 ppm. Ekkor az átlag hőmérséklet +15 celsius fok. A szén-dioxid által elnyelt energia és az űrbe kisugárzott energia olyan arányú, hogy nem hűl le, nem melegszik fel a Föld. Ez az állapot az ipari forradalom előtti korban volt jellemző.  A 20. század végén, a 21. század elején a szén-dioxid koncentráció 370  ppm, az átlag hőmérséklet +15,4 celsius fok. Ez már a globális felmelegedés és klíma változás kezdete. Ha nem akadályozzuk meg az üvegház hatású gázok szélsőségesen magas emisszióját, akkor 2100-ban a szén-dioxid koncentráció 850 ppm is lehet, ehhez pedig +19 celsius fok átlag hőmérséklet várható.

Üvegház hatású gázok a szén-dioxid, a metán, a dinitrogén-oxid (orvosi altatógáz, egyes műtrágyákból is ez párolog ki), F-gázok (hűtőgép gáz, tűzoltó gáz). GWP: Global Warming Potential egy viszonyszám, amely megmutatja, hogy hányszor nagyobb üvegház hatást képes kifejteni a szén-dioxidhoz viszonyítva. Mivel a viszonyítási alap a szén-dioxid, ezért annak GWP értéke 1. A képen látható, hogy pl. a metán ebből a szempontból 23-szor erősebb. Fontos adat még a légköri tartózkodási idő. Ha ma csökkentjük a szén-dioxid kibocsátást, akkor a tegnapi koncentráció még 200 évig érezteti hatását. A metán tartózkodási ideje  "csak" 10 év, sokan vannak azon a véleményen, hogy az egyébként is nehezen fenntartható intenzív állattenyésztést kellene visszafogni. Hamarabb lehetne eredményt elérni, figyelembevéve a metán GWP=23 értéket is. 

A Kiotói Egyezmény célja, hogy csökkenjen az üvegház hatású gázok emissziója. A metánt, a dinitrogén-oxidot, F-gázok hatását átszámolták szén-dioxid egyenértékre. Meghatározták országonként a bázis dátumhoz tartozó emissziót és annak csökkentési mértékét (5,2 %). Az egyezményt 169 ország elfogadta, később Kanada kilépett. Kína és India nem vállalt emisszió csökkentést. Amerika elnöke ugyan aláírta az Egyezményt, de a szenátus nem ratifikálta azt.

Megalkották a Carbon Credit értékpapírt, amely 1 tonna szén-dioxid emisszióra jogosít. Kiosztották országonként a kibocsátási kvótákat. Magyarország 2012-ben 42 640 millió tonna szén-dioxid kibocsátásra volt jogosult. Ha egy ország a kvótán felül szennyezett, akkor annak ellenértékét meg kellet vásárolnia. Ha a tényleges kibocsátás a kvóta alatti érték volt, akkor el lehetett adni a fel nem használt Carbon Crediteket tőzsdei áron (5 ... 15 €). Carbon Creditet azok az országok tudtak nagy tételben eladni, amelyek nap-, szél,- vízerőműveket építettek, szén-dioxid leválasztót és földalatti szén-dioxid tárolót fejlesztettek meglévő hőerőműveikhez. Ebbe a kategóriába tartozik az erdőtelepítés is, amely megköti a szén-dioxidot. A Kiotói Egyezmény érdeme, hogy megindult az országok együttműködése. Az emissziót az ENSZ ellenőrizte. A tagországok hozták is az eredményeket. Mindezt beárnyékolta, hogy a világ két legnagyobb szennyezője, Kína és az U.S.A. nem csökkentette szén-dioxid emisszíóját. Kína úgy érezhette, hogy nem felelős a jelenlegi légköri állapotokért, mert a fejlett ipari államok szennyezték a légkört. Másrészt az 1,4 milliárd népesség ellátása energiával, lakhatás, étkezés biztosítása leköti erőit. Nem tud többlet terhelést felvállalni. Az U.S.A. félt attól, hogy Kina jogtalan gazdasági előnyhöz jut. A Szenátus nem ratifikálta a Clinton elnök által aláírt Kiotoi Egyezményt. 2015. decemberében lesz a párizsi clíma konferencia. Civil aktivisták nyomást gyakorolnak a konferencián résztvevő politikusokra, hogy minden ország írja alá és szenátusa majd ratifikálja a Kiotoi Egyezmény helyébe lépő Párizsi Egyezményt. Al Gore béke nóbeldíjas amerikai aktivista egy milliárd aláírás összegyüjtésével akarja ezt elérni. Al Gore mozgalmához Ader János köztársasági elnök és Magyarország is csatlakozott.

Ha a Párizsi Egyezmény is kudarcba fullad és tovább emelkedik a szén-dioxid koncentráció egészen 850 ppm-ig, akkor 2100-ban a globális felmelegedés 19 ^o C-ra emeli bolygónk átlaghőmérsékletét. Elovadnak a sarki jégtakarók, emelkedik fél méterrel a tengerek, óceánok szintje. Ugyanakkor egy pozitív visszacsatolási folyamat indul el a globális felmelegedésben.

A magasabb átlag hőmérséklet növeli a vizekben lévő szén-dioxid kiválását, amely ugyancsak szén-dioxid koncentráció növekedést idéz elő. Nő az átlag hőmérséklet. Nagyobb lesz a vizek szén-dioxid emissziója. Pozítív visszacsatolási folyamatról van szó, amely végül is begerjed és katasztrófához vezet. Példa a Naprendszerben a Vénusz bolygó. A Nap melegíti a bolygót, a magas szén-dioxid koncentráció miatt működik az üvegház hatás effektus. A bolygó nem tud a világűrbe sugározni. Melegszik, de nem tud hűlni. Hőmérséklete 460 ^o C.

Milyen következménye lesz a globális felmelegedésnek Földünkön?

Elolvad a sarki jég, emelkedik a tengerek vízszintje. A mélyen fekvő városokat elönti a víz.

A tengerszint emelkedés miatt bajban lesz New York, London, Velence és még 100 európai város.

A sarki jég elolvadásával egyes állatfajok élőhelye szűnik meg. Már most egyre több vízbe fúlt jegesmedvével lehet a sarkok közelében találkozni. Mit lehet tenni az üvegház hatású gázok koncentrációjának növekedése ellen? Csökkenteni kellene az emissziót.

Térjünk vissza a metán emisszió növekedéséhez, az intenzív állattenyésztés fenntarthatósági problémájához. A jelenlegi állatállomány további növelése maga után vonná a nagyobb takarmány hozamot. Ehhez növelni kellene a szántó területet. Hét milliárd (nemsokára nyolc, kilenc milliárd) embert etetni kell. A sok milliárd állatot takarmányozni kell. Ehhez növelni kellene a szántó területeket. Kezd kialakulni egy rossz gyakorlat, amely erdő irtással oldja meg ezt a problémát. Az erdők szén-dioxid nyelők. A fák, növények a szén ciklussal csökkentik a légkör szén-dioxid koncentrációját. Az erdőirtás nem járható út. Lehet-e csökkenteni a hús-, és más állati eredetű termékek fogyasztását?

A vegetáriánusoknak alacsonyabb volt a triglicerid- és vércukorszintjük, a vérnyomásuk, és kisebb volt a derékbőségük, valamint a testtömeg-indexük, mint a húsevőknek. A triglicerid (vérzsír) szerepe, hogy energiával lássa el a szervezetet. Legyen pl. a hétfő húsmentes.

Ha egy ember, egy évig, heti egy nap húsmentesen étkezik - máris 100 kg-mal kevesebb a szén-dioxid lesz a légkörben. Ennyit 52 fiatal fa képes megkötni egy év alatt a fa fajtájától, méretétől, élőhelyétől függően! (Egy négyzetméter levélfelület átlag 150 gramm szén-dioxidot dolgoz fel.) Ha csak 10 éven át heti egy napunk húsmentes, már 1 tonnával kevesebb szén-dioxiddal terheljük a környezetet.

Kína és Amerika a legnagyobb CO₂ kibocsátók. A 250 millió indiai vegetáriánus hetente 175 ezer tonna CO₂ megtakarítást jelent a minden nap húsevőkhöz viszonyítva.

A villamos energia termelés legnagyobb hányada a hőerőművekben történik, szalma, fa, szén, gáz felhasználásával. Ezek sok ezer tonna CO₂ -t emittálnak. Egyre terjednek a nap-, szél-, vízerőművek. De a hőrőművekhez is lehet telepíteni szén-dioxid leválasztókat. 

Naperőművet a Föld azon térségeiben érdemes csak építeni, ahol a napenergia átlagos sűrűsége kellően nagy ahhoz, hogy a magas beruházási költségű létesítményt jó hatásfokkal és gazdaságosan lehessen üzemeltetni.  A napelem olyan szilárdtest eszköz, amely a napsugárzást közvetlenül villamos energiává alakítja. Az energiaátalakítás alapja, hogy a sugárzás elnyelődésekor elektromos áram jön létre. A napeelem kimenetén egyenáramot kapunk. A napelemek soros, párhuzamos kapcsolásával lehet elérni a kb. 300 V-os feszültséget és a kívánt terhelhetőséget. Az inverter a napelem egyenáramát váltó árammá alakítja át, és a váltakozó áramú hálózatba táplálja. A visszatáplálás természetesen csak a hálózat frekvenciájával szinkronizálva lehetséges. A napelemekre általában 20-25 év a garancia, jellemzően 20-40 év az élettartamuk. 

A légkörben kialakuló nyomáskülönbségek hatására szél jön létre. A légkör alsó rétegeiben végbemenő légmozgást a Nap sugárzó energiája hozza létre. A felmelegedett levegő ritkább, ezáltal felfelé emelkedik és helyébe hidegebb levegő áramlik.  A szél munkavégző képessége a szélsebesség harmadik hatványával arányos. A szelet elsősorban azokon a vidékeken érdemes kiaknázni, ahol a szélsebesség évi átlaga meghaladja a 4-5 m/s értéket. Ez többnyire csak tengerparti helyeken van így, a szárazföld belseje felé haladva a belső súrlódás erősen csökkenti a szél sebességét. A szárazföldi telepítésnél olyan területek kerülnek felhasználásra, ahol a mezőgazdasági hasznosítás a talaj kedvezőtlen minősége miatt nem gazdaságos. 

A szél mozgási energiája a generátorban alakul át villamos energiává. A kapott egyenáramot váltóárammá alakítják és a villamos hálózatba táplálják. A hálózatot üzemeltető szolgáltató akkor tudja átvenni a megtermelt energiát, ha előre szerződött menetrend szerint kapja azt, mivel a szolgáltatónak mindig annyi energiát kell a hálózatba táplálni, mint amennyi a fogyasztók pillanatnyi igénye. Ezért a szélerőművek létesítése kiszámítható széljárás esetén gazdaságos. Ha az energia átadás a hálózat felé eltér a szerződött menetrendtől, akkor az energia szolgáltatónak rendelkeznie kell megfelelő erőmű kapacitással, amely pótolja a szélcsend miatt kiesett energiát. Ezért a szolgáltató nem szívesen köt szerződést a menetrendtől gyakran eltérő szélerőművel.

A menetrendtől eltérő szélerőműveknek helyileg kell gondoskodni a termelt energia tárolásáról. Egyik megoldási lehetőség, hogy a termelt energia vizet bont és hidrogént fejleszt. A hidrogén pedig - pl. acél palackba zárva - gépkocsi hajtására használható fel.

A szén-dioxid leválasztás és tárolás (Carbon-Capture and Storage: CSS) egy igéretes, fejlesztés alatt álló eljárás A hőerőművekben keletkező füstgázból vegyi eljárással kiválasztják a szén-dioxidot, majd azt egy geológiai képződmény alkotta tárolóba sajtolják. A tároló megtartja a gázt. Tárolóként használhatók a letermelt olaj- vagy gázmezők, valamint a szenes vagy a sósvizes talajrétegek. A CSS módszerrel mintegy 80–90%-kal csökkenthető a hőerőművek szén-dioxid-emissziója. Hátrányos tulajdonsága azonban, hogy az eljárás energiaigényes, a szén-dioxid-leválasztó berendezés csökkenti a hőerőmű hatásfokát, és a hosszú távú föld, vagy óceán alatti biztonságos tárolás módszere sem kellően kidolgozott.

Az ásványi műtrágyák felhasználása hozzájárul az üvegházgázok kibocsátásához, különösen a szén-dioxid (CO₂) és a dinitrogén-oxid (N₂O) kibocsátásához.  A műtrágyák ugyanakkor növelik a mezőgazdaság termelékenységét. A dinitrogén-oxid  üvegházhatása 310-szer nagyobb, mint a szén-dioxidé. Megfelelő műtrágya választással optimalizálhatjuk az adott termőföld hozamát és az üvegház hatású gázok emisszióját.

A légkör védelme érdekében hármas, egymással szoros kölcsönhatásban lévő célkitűzést fogalmazhatunk meg:

• Az üvegházhatású gázok (szén-dioxid, metán, dinitrogén-oxid, F-gázok) kibocsátásának csökkentése. Látványos eredmények érhetők el a metán emisszió növekedésének megállításával, illetve csökkentésével. Ezt a választást a metán Globális Felmelegedési Potenciálja (GWP) valamint a szén-dioxidhoz viszonyított alacsony légköri tartózkodási ideje indokolja. Mivel a metán emisszió legfőbb forrása a - fenntarthatatlan - intenzív állattenyésztés, ezért mérsékelni kellene a húsfogyasztást. A túlfejlesztett állattenyésztés a termőföld terület növelését igényelné, s ez csak erdőirtással lenne elérhető.
• A megújuló energiák (nap-, szél-, víz erőmű) arányának növelése a villamosenergia termelésben. Hőerőművek kiegészítése Széndioxid Leválasztó és Tároló (CCS) rendszerrel, amely növeli a villamos energia árát. Ezt fel kell vállalni a légkör védelme érdekében.
• Az energia felhasználás csökkentése szigeteléssel és a fogyasztói berendezések hatásfokának növelésével.