Levegőkörnyezet

Földünk környezeti tartományai között a légkör különleges helyet foglal el: ez a környezet legdinamikusabb, legmozgékonyabb közege. A légköri mozgások a kibocsátott szennyezőanyagokat azok forrásaitól messzire elszállítják. A légszennyeződés hatásainak megállapításához, valamint a levegőtisztaság-védelmi intézkedések tudományos megalapozásához alapvetően fontos a levegő minőségének rendszeres mérése, illetve a kibocsátó források és a légszennyeződés kapcsolatának modellezése. A megfigyelési és a modellezési tevékenység két, egymással nagyon szoros kapcsolatban lévő, egymást kölcsönösen kiegészítő tevékenység, ezért ezek jelen kötetben egységesen kerülnek tárgyalásra. Az egyes fejezetek végén található példák és feladatok a gyakorlatban felmerülő problémák megoldásához nyújtanak segítséget. A könyvet az egyetemi hallgatók mellett haszonnal forgathatják a levegőkörnyezet vizsgálatával, elemzésével és értékelésével foglalkozó mérnökök és kutatók is.

ELŐSZÓ 11

1. LEVEGŐKÖRNYEZET ÉS EMBER: TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS (Molnár Ágnes) 15

1.1. Lokális légszennyezés: nagyvárosok levegője 15

1.1.1. Levegőszennyezés a 20. századig 15
1.1.2. Légszennyezettség a 20. században 17

1.2. Regionális és globális levegőkörnyezeti problémák 19

1.2.1. Savas ülepedés 19
1.2.2. Globális fölmelegedés 20
1.2.3. Magaslégköri ózon: az ózonlyuk 21

Felhasznált irodalom 22
Felhasznált és ajánlott honlapok 23

2. A LÉGKÖR ÖSSZETÉTELE ÉS SZERKEZETE (Molnár Ágnes) 24

2.1. Légkört alkotó gázok, biogeokémiai körforgalom 24
2.2. A légköri aeroszol 27
2.3. Légköri sugárzásátvitel: kémiai összetétel és a Föld-légkör rendszer energiamérlege 33

2.3.1. A rövidhullámú sugárzási energia 35
2.3.2. A hosszúhullámú sugárzási energia 37
2.3.3. A Föld-légkör rendszer globális és lokális energiamérlege 39

2.4. A légkör függőleges szerkezete 40

2.4.1. A levegő tömegének, sűrűségének és nyomásának magasság szerinti eloszlása 40
2.4.2. Hőmérsékleti eloszlás a légkörben 43
2.4.3. A levegő összetételének változása a magassággal 45

Felhasznált irodalom 45
Feladatok 46

3. A LÉGKÖRI DINAMIKAI ALAPJAI (Molnár Ágnes) 47

3.1. A mozgó légkör 47

3.1.1. A légkörben ható erők 47
3.1.2. Légköri mozgásegyenlet, egyensúlyi mozgások 50
3.1.3. A kontinuitási egyenlet 52

3.2. Függőleges légmozgások és a légkör stabilitása 53

3.2.1. Adiabatikus hőmérsékleti gradiens 53
3.2.2. A légkör stabilitásának meghatározása 54
3.2.3. Felhajtóerő és függőleges mozgás 56
3.2.4. Felhőképződés, csapadékkeletkezés 57

3.3. Légköri határréteg, turbulencia 58

3.3.1. Turbulencia kialakulása a határrétegben 58
3.3.2. Molekuláris és turbulens diffúzió 60
3.3.3. Légköri határréteg 61

3.4. Általános légkörzés; időjárási képződmények 64

3.4.1. Általános légkörzés 65
3.4.2. Mérsékeltövi ciklonok, anticiklonok, időjárási frontok 67

Felhasznált irodalom 72
Felhasznált és ajánlott honlapok 72
Feladatok 72

4. KÉMIAI ÁTALAKULÁSOK ÉS ÜLEPEDÉS (Mészáros Ernő) 73

4.1. A légszennyeződés forrásai és fajtái 73

4.1.1. Források: elsődleges és másodlagos szennyezőanyagok 73
4.1.2. A légszennyeződés fajtái 74

4.2. A reakciókinetika alapjai 75

4.2.1. Az oxidatív légkör; hidroxilgyökök 75
4.2.2. Nitrát- és peroxilgyökök 76

4.3. Sztratoszferikus ózon 77

4.3.1. A sztratoszferikus ózon homogén kémiája 77
4.3.2. Heterogén kémiai folyamatok: az ózonlyuk 79

4.4. Reakciók a troposzférában 81

4.4.1. Gázfázisú reakciók 81
4.4.2. Aeroszol részecskék képződése 82
4.4.3. A kémiai reakciók modellezése 84

4.5. Száraz és nedves ülepedés 85

4.5.1. A száraz ülepedés modellezése 85
4.5.2. A nedves ülepedés modellezése 86

Felhasznált irodalom 87
Feladatok 88

5. GLOBÁLIS LÉPTÉKŰ MODELLEZÉS (Bozó László) 89

5.1. Nyomanyagok globális légköri terjedése és eloszlása 89

5.1.1. A légköri mozgások, illetve a nyomanyagok terjedésének tér- és időléptékei 89
5.1.2. Nyomanyagok terjedése globális léptékben 89

5.2. Euler-típusú modellek 91

5.2.1. A modell alapegyenlete, felépítése 91
5.2.2. A modellek gyakorlati alkalmazása, a fejlődés irányai 93

5.3. A sztratoszferikus ózon globális eloszlása 93

5.3.1. A térbeli eloszlás meghatározása 93
5.3.2. A modellegyenlet 95

5.4. A szén-dioxid, a metán és a dinitrogén-oxid (N₂0) globális eloszlása 97

5.4.1. A szén-dioxid 97
5.4.2. A metán 99
5.4.3. A dinitrogén-oxid (N₂O) 100

5.5. A légköri kénvegyületek globális eloszlása 101

5.5.1. Az alkalmazott modellek 101
5.5.2. Globális légköri mérlegek becslése modellszámításokkal 102
5.5.3. Globális kéneloszlás az iparosodást megelőző időszakban 103

5.6. Nyomanyagok légköri terjedésének és eloszlásának félgömbi modelljei 103

5.6.1. A higany légköri terjedése és ülepedése 103
5.6.2. A nehezen lebomló szerves vegyületek légköri terjedése és ülepedése 106
5.6.3. A troposzferikus ózon eloszlása az Atlanti-óceán felett 106

Felhasznált irodalom 107
Feladatok 108

6. A KONTINENTÁLIS ÉS REGIONÁLIS LÉPTÉKŰ TERJEDÉS MODELLEZÉSE (Bozó László) 109

6.1. Légszennyező anyagok nagy távolságú terjedése 109
6.2. Lagrange-típusú modellek 110
6.3. Európa légszennyeződésének modellezése 112

6.3.1. Kén- és nitrogénvegyületek 112
6.3.2. Toxikus nyomelemek 114
6.3.3. Felszínközeli ózon 115

6.4. Hazai levegőkörnyezeti vizsgálatok 116

6.4.1. A kibocsátás változásai 116
6.4.2. Kén-és nitrogénvegyületek 116
6.4.3. Nehézfémek 119
6.4.4. Felszínközeli ózon 120

6.5. Regionális légköri nyomanyagmérleg becslése egyszerű bokszmodellel 122

6.5.1. A bokszmodell szerkezete 122
6.5.2. A számítások eredményei 122

6.6. Regionális levegőminőségi tendenciák és vizsgálati módszerek a közeljövőben 124

Felhasznált irodalom 125
Feladatok 125

7. LOKÁLIS ÉS VÁROSI LÉPPÉKŰ MODELLEK (Bozó László) 126

7.1. Légszennyező anyagok diszperziója lokális és városi térskálán 126
7.2. Lokális diszperziós modellek 127

7.2.1. A Gauss-modell 127
7.2.2. A levegő áramlása az utcákban 128
7.2.3. A szélsebesség kiszámítása az utcakanyonokban 130
7.2.4. A diszperzió modellezése 131
7.2.5. A STREET modell 131
7.2.6. A CPMB modell 132
7.2.7. A CAR modell 132

7.3. Városi léptékű terjedési modellek 134

7.3.1. A légkör szerkezete a városok felett 134
7.3.2. A városi emissziós kataszter 135
7.3.3. Alkalmazott városi léptékű modellek 137

7.4. A szabályozáscélú levegőkörnyezeti modellezés 139

7.4.1. Általános megfontolások 139
7.4.2. A korábbi és a jelenlegi hazai modellezési gyakorlat 140

Felhasznált irodalom 141
Feladatok 142

8. RECEPTORMODELLEZÉSI ELJÁRÁSOK (Bozó László) 143

8.1. Az alkalmazáslehetősége és szükségessége 143
8.2. A receptormodellezés alapelvei 143
8.3. A kémiai tömegmérleg-számítás (CMB) 146

8.3.1. A számítás alapelve 146
8.3.2. A CMB modell alkalmazásának feltételei 147
8.3.3. A CMB modell gyakorlati alkalmazása 148

8.4. A főkomponens-analízis 149

8.4.1. A számítások alapelve 149
8.4.2. A főkomponens-analízis gyakorlati alkalmazása 151

8.5. Empirikus ortogonális függvény módszer 153

Felhasznált irodalom 155
Felhasznált és ajánlott honlapok 155
Feladatok 155

9. MEGFIGYELÉSI HÁLÓZATOK (Mészáros Ernő) 156

9.1. Bevezető megjegyzések: mérendő anyagok 156
9.2. A Meteorológiai Világszervezet hálózata 158

9.2.1. A hálózat célja 158
9.2.2. Az állomások típusa és elhelyezkedése 158
9.2.3. Mérési program 160

9.3. Európai monitoring és értékelési program: EMEP 161

9.3.1. Célkitűzés 161
9.3.2. Elhelyezési kritériumok 163
9.3.3. Mérési program 164

9.4. Hazai háttérmegfigyelések 164

9.4.1. Előzmények 164
9.4.2. Jelenlegi hálózat 165

9.5. Lokális légszennyeződés-mérő rendszerek 166

9.5.1. Nemzetközi hálózatok és ajánlások 166
9.5.2. Hazai hálózat 168

Felhasznált irodalom 169
Felhasznált és ajánlott honlapok 170
Feladatok 170

10. MEGFIGYELÉSI MÓDSZEREK (Mészáros Ernő) 171

10.1. Üvegházhatású gázok 171

10.1.1. Szén-dioxid 171
10.1.2. Dinitrogén-oxid és halogénezett szénhidrogének (freonok) 173
10.1.3. Metán 174

10.2. Ózon 174

10.2.1. Teljes ózon 174
10.2.2. Talajközeli ózon 177

10.3. Reaktív gázok 178

10.3.1. Kén-dioxid 178
10.3.2. Ammónia, salétromsav és nitrogén-oxidok 179
10.3.3. Szén-monoxid 180
10.3.4. Szénhidrogének, aldehidek és ketonok 181

10.4. Egyéb gázok 181

10.4.1. Klórozott szénhidrogének 181
10.4.2. Radioaktív izotópok 182
10.4.3. Higany 183

10.5. A légköri aeroszol mérése 183

10.5.1. Számszerű- és tömegkoncentráció 183
10.5.2. A részecskék felfogása: impaktorok és szűrők 185
10.5.3. Kémiai analízis 189
10.5.4. Optikai tulajdonságok: in situ mérések 190
10.5.5. Légköri homályosság 191
10.5.6. Kondenzációs magvak 193
10.5.7. Távmérések 193

10.6. Száraz és nedves ülepedés 194

10.6.1. A csapadékvíz mintavétele 194
10.6.2. A minták kémiai analízise 195
10.6.3. Szárazülepedés 196

Felhasznált irodalom 197
Felhasznált és ajánlott honlapok 198
Feladatok 198

11. A MODELLEZÉS ÉS MEGFIGYELÉS SZEREPE A LEVEGŐKÖRNYEZET VÉDELMFBEN (Bozó László, Mészáros Ernő) 199

11.1. Bevezetés 199
11.2. A lokális és regionális levegőminőség szabályozása 200

11.2.1. A levegőkörnyezeti információk integrálása 200
11.2.2. A levegőminőség szabályozásáért felelős döntéshozók elvárásai 202
11.2.3. A levegőminőség-értékelő és döntéstámogató rendszer felépítése 203
11.2.4. A gyakorlatban alkalmazott rendszerek 204

11.3. A kén-dioxid és a nitrogén-oxidok kibocsátásának nemzetközi szabályozása 206

11.3.1. Kén-dioxid 206
11.3.2. Nitrogén-oxidok 207

11.4. Lépések a globális problémák megoldása felé 208

11.4.1. Üvegházhatású gázok 208
11.4.2. Magaslégköri ózon 211

Felhasznált irodalom 212
Felhasznált és ajánlott honlapok 213

MELLÉKLETEK

I. Melléklet: A légköri termodinamika alapjai 214

I.1. Általános ismeretek 214
I.2. A száraz levegő adiabatikus állapotváltozása és a potenciális hőmérséklet 215
I.3. A nedves levegő adiabatikus állapotváltozása 217

II. Melléklet: Szerves gázok légköri reakciói 218
III. Melléklet: Példa Lagrange-típusú modellezésre 220
IV. Melléklet: Gauss-féle egyenlet 221
V. Melléklet: Sajátérték és sajátvektor meghatározása 222
VI. Melléklet: A dinitrogén-oxid és a freonok gázkromatográfiás kimutatása 223
VII. Melléklet: A teljes ózon mérése 225
VIII. Melléklet: A legfontosabb légszennyező anyagok egészségügyi határértékei 227

FELADATOK MEGOLDÁSA 228

SZÓMAGYARÁZAT 232

NÉHÁNY FONTOSABB ÁLLANDÓ 243

TÁRGYMUTATÓ 245

TARTALOM