Természet Világa, 125. évf. 5. sz. 1994. Jubileumi pótfüzet


MÉSZÁROS ERNÔ

Mit tudtunk a légköri szén-dioxidról száz évvel ezelôtt?

A légkörtudomány utóbbi évtizedekben végbement hatalmas fejlôdésének egyik legfontosabb eredménye a levegôkémia kialakulása. Rájöttünk arra, hogy a légkör viselkedését csak akkor érthetjük meg, ha a benne végbemenô kémiai folyamatokkal is tisztában vagyunk. Ezt a fölismerést részben a levegô szennyezésével kapcsolatos vizsgálatok, részben az ûrkutatás segítették elô. Kiderült ugyanis, hogy egy bolygó éghajlata alapvetôen függ a körülötte lévô gázburok fizikai és kémiai tulajdonságaitól és hogy a Föld légkörének a levegônek a Naprendszerben egyedülálló összetétele van. Ma már tudjuk, hogy ez a különleges gázkeverék a bioszféra jelenlétének köszönhetö. A földi élet bolygónk Naprendszerben elfoglalt helyzete és nagysága miatt alakult ki. Ezek a tényezôk lehetôvé tették a víz fölhalmozódását és annak az oxigént gyakorlatilag nem tartalmazó ôslégkörnek a kialakulását, amely a szerves anyag megjelenésének elôfeltétele volt. Ma már az is köztudott, hogy a jelenlegi levegô hosszú fejlôdés eredménye és a Föld különbözô tartományai (légkör, hidroszféra, szilárd kéreg, talaj stb.) meghatározott egyensúlyban vannak egymással és kémiai összetételük csak a természetben végbemenô nagy anyagáramlás ("biogeokémiai" ciklus) segítségével értelmezhetô.

Érdekes eredmény, hogy a Föld légkörének fô összetevôi (nitrogén, oxigén) az élet számára oly fontos éghajlat szabályozásában viszonylag lényegtelen szerepet játszanak. Az éghajlatot ugyanis egyéb tényezôk mellett azok a nyomgázok (összes térfogati koncentrációjuk a vízgôz nélkül kisebb, mint 0,04%) befolyásolják, amelyek elnyelik, vagy szórják akár a Napból jövô rövidhullámú (látható) akár a Föld felszíne által kibocsátott hosszú hullámú (hô) sugárzást. Légkörünk fontos tulajdonsága, hogy a rövidhullámú sugárzást jobban átereszti, mint a hosszúhullámú sugárzást. Leegyszerûsítve: úgy viselkedik, mint a kertészeti üvegházak. A hôsugárzást elnyelô üvegházhatású gázok közül legfontosabb a szén-dioxid, amelynek légköri mennyisége az emberi tevékenység miatt (tüzelés, erdôirtások) a múlt század vége óta állandóan növekszik, s ami elôbb-utóbb nem kívánt fölmelegedést okoz, mint erre Arrhenius svéd kémikus már a századfordulón fölhívta a figyelmet. Ebbôl következik, hogy a szén-dioxid koncentrációjának rendszeres mérése, illetve körforgalmának tanulmányozása igen nagy jelentôségû.

Örvendetes tény, hogy a szén-dioxid mérésével és körforgalmával a múlt században, Arrhenius tanulmánya elôtt már nagy kutatók is foglalkoztak. Sôt, a Természettudományi Közlöny nézeteikrôl hosszú, a mai olvasó számára kissé körülményes, de élvezetes stílusban megírt cikkeket is megjelentetett. Így Szterényi Hugó a folyóirat 1886. évfolyamában két részben A levegô szénsaváról címmel foglalja össze mindazt, amit a tudósok (elsôsorban vegyészek és higiénikusok) a légköri szén-dioxidról régi szóhasználat szerint szénsavról abban az idôben tudtak. Meglepô, hogy milyen sokat! Bár a mérési eredmények vita tárgyát képezték, többé-kevésbé elfogadott tény volt, hogy a szén-dioxid koncentrációja valahol 3 L/10 000 L körül van, ami 0,0003-as keverési aránynak, azaz 0,03 térfogatszázaléknak felel meg. Ezt a helyes eredményt elsônek Schultze rostocki tanár közölte 1868 és 1871 között végzett mintavételei alapján (Fodor József egyetemi tanár 18771879 közötti budapesti megfigyelései 3,89/10 000-es középértéket adtak). A vita érthetô, hiszen a mérés eléggé bizonytalan módszerrel folyt. A kutatók (akkori kifejezéssel élve: "búvárok") a Pettenkofer-féle, 1858-ban javasolt, majd 1862-ben javított eljárást alkalmazták. Ennek lényege az volt, hogy meghatározott mennyiségû levegôt bárium- vagy kalcium-hidroxid ismert koncentrációjú oldatán szívtak át, a lúg és a szén-dioxid reakciójával keletkezô csapadékot hagyták leülepedni, majd a visszamaradó hidroxidot normál oxálsavval titrálták. A szén-dioxidot tehát savként mutatták ki, ami indokolja a szénsav-elnevezést. Ez a klasszikus módszer egyébként századunk ötvenes éveiig a szén-dioxid kimutatásának egyetlen lehetésége volt. Ekkor javasolta Keeling amerikai kutató, hogy a szén-dioxidot infravörös sugárzáselnyelése alapján kell meghatározni. Ez a módszer tette lehetôvé a szén-dioxid szintjének 0,1 milliomodrész (105 tf%) pontosságú meghatározását, ami elengedhetetlen az emberi tevékenység földi léptékû hatásainak nyomon követéséhez.

Valószínûleg a mérések pontatlansága miatt voltak viták a múlt században az eredmények értékelése körül is. Milyen környezetben nagyobb a koncentráció: városi vagy vidéki levegôben? Van-e összefüggés az adatok és a meteorológiai helyzet között? Ebbôl a szempontból Szterényi tanulmányaiban számos, ma már nem elfogadható megállapítás is van. Például az, hogy a szén-dioxid koncentrációja és az oxigén relatív mennyisége között a szélirányok szerint fordított az összefüggés. Az természetes, hogy a szén-dioxid koncentrációja adott helyen függhet a széliránytól. Az oxigén esetén azonban ez lehetetlen, hiszen légköri szintje (szerencsére) térben és idôben nem változik (az oxigén kimutatási módszerét a cikk sajnos nem közli, csupán egy bizonyos Jolly méréseire hivatkozik). Tökéletesen helytálló viszont, hogy a légköri szén-dioxid (és számos más nyomanyag) koncentrációja a szélsebességgel fordítottan arányos. Nagyobb szélsebesség ugyanis erôsebb függôleges keveredéssel jár.

A lényegében helyes koncentrációk természetesen elfogadható teljes légköri szén-dioxid-tömeget eredményeztek. Így a Szterényi által idézett 642 billió kg szénben kifejezett szén-dioxid mennyiség nagyon közel van a jelenleg elfogadott 700 Pg-os (1 petagramm: 1015 g) értékhez, fôleg, ha figyelembe vesszük, hogy azóta a légköri szén-dioxid tömege növekedett. Ezzel kapcsolatban érdemes megemlíteni, hogy az 1886-ban megjelent tanulmány a levegô teljes tömegét is megadja: 5 trillió kg. A manapság megjelenô szakkönyvekben 5,14x1018 kg a megfelelö szám. A jó egyezésnek nyilván az az oka, hogy a levegö tömegét az átlagos légnyomásból kiindulva számították ki. Ennek értékét már a múlt században is meglehetôsen pontosan ismerték.

A Természettudományi Közlöny 1888. évi kötetében A szén körútja a természetben címmel további érdekes közlemény található (szerzôje Kosutány Tamás). A cikket lapozgatva a mai olvasó elsô benyomása az, hogy száz évvel ezelôtt a levegô összetétele milyen egyszerûnek tûnt. A cikkben többek közt ez olvasható: "A levegô chemiai összetétele, miként ismeretes, 79 rész nitrogén 21 rész oxigén és 0,030,04 rész szénsav s változó mennyiségû vízpára. A nitrogénnek az a szerepe van, hogy az oxigénnek különben igen heves hatását mérsékeli, az oxigént felhigítja, miként a víz az erôs bort" (a felhigítás a szénnek az "oxigén iránti vonzalmára" vonatkozik). Ha ezt a kissé költôi megfogalmazást a mai tudományos nyelvre lefordítjuk, akkor az derül ki, hogy a szerzônek igaza van, hiszen az oxigén minden energia forrása (gondoljunk a légzésre, vagy a szén eltüzelésére), és a nitrogén az összetétel és a nyomás szabályozásában döntô szerepet játszik. Ugyanakkor az utóbbi évtizedek intenzív vizsgálatai kimutatták, hogy a levegôben számos szerves és szervetlen nyomgáz mutatható ki, nem is beszélve a légköri aeroszolrészecskéket alkotó elemekrôl, illetve vegyületekrôl. A nyomanyagok az éghajlat szabályozásán kívül meghatározták a levegô állapotát és kémiai folyamatait. Erre azonban csak akkor jöttünk rá, amikor ilyen anyagokat az ember is kezdett a levegôbe bocsátani.

A szén légköri körforgalmát ("körútját") tárgyalva Kosutány helyesen fejti ki, hogy a szénsavat (ti. szén-dioxidot) a légzés termeli, azaz az "életet az égéssel kell összehasonlítanunk". Nem beszél azonban arról, hogy a szerves anyagok bomlása a környezetben jóval több szén-dioxidot szabadít föl, mint az emberek és állatok légzése. Sôt természetesen azt sem említi, hogy a jelenlegi légköri oxigénszint azért alakulhatott ki, mivel a szerves anyagok jelentôs részét a geológiai üledékképzôdés eltemette, azaz elválasztotta az oxigéntôl. Az elmondottak alátámasztására szolgáljon a következô egyszerû számítás. Kosutány szerint egy felnôtt ember évente 324 ezer liter oxigént változtat át légzéssel ugyanennyi szénsavvá, ami kereken 175 kg szénnek felel meg. Ha ezt a számot megszorozzuk a föld lakóinak jelenlegi számával (5,6 milliárd), akkor eredményül 980 milliárd kg-ot, azaz kereken 1 Pg-ot kapunk (ez felsô határ, mivel nem mindenki felnôtt). A szárazföldi bioszféra teljes (légzés+bomlás) kibocsátása évente 100 Pg szénre tehetô. Ha az állatok légzését is figyelembe vennénk, a légzés miatti szén- (szén-dioxid-) kibocsátás akkor sem haladná meg a teljes tömeg néhány százalékát. Azt viszont a szerzô helyesen állapítja meg, hogy az oxigént a növények "adják vissza" a levegônek és hogy a két folyamat egyensúlyban van egymással. Ebbôl következik, hogy a szénatomok állandó vándorlásban vannak.

Ez utóbbi megállapítást Kosutány igen szemléletes és helytálló képpel teszi közérthetôvé: "Az a szén-atóm, amely Nagy Sándor macedoniai király testének alkotó része volt, vagy a nagy Sokrates, Plátó, Homeros agyának elemét képezte, hányszor tehette meg ezen néhány század alatt körútját növénybôl állatba, állatból növénybe! Hányszor fordult már meg s ki tudja kiknek vagy miknek testében az a szén-atóm, melyet e pillanatban kilehelünk! Ki tudná megmondani?"

Be kell vallanunk, hogy a mai tudományos kutató sem.


Vissza http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/