Az MTA Geokémiai Kutatólaboratóriumában a Magyar Tudomány Napját A geokémia az egészségesebb könyezetért címû elõadás-sorozattal ünnepelték. Az alábbiakban a nyitó elõadás "Web-változata" olvasható.

Bevezetés

Sokféleképpen kerülhetünk kapcsolatba a környezetünkkel, az egyik módja, hogy belélegezzük. A jelen elõadás a belélegezhetõ környezeti elemmel, a levegõvel foglalkozik.

Az elõadás szerzõi dr. Demény Attila és dr. Haszpra László. Dr. Demény Attila a Geokémiai Kutatólaboratórium tudományos fõmunkatársa, kutatási területe a H,C,N,O,S elemek stabilizotóp-geokémiája. Dr. Haszpra László az Országos Meteorológiai Szolgálat tanácsosa, aki több, mint egy évtizede kutatja az üvegházhatású gázok – különös tekintettel a szén-dioxidra. A szerzõkrõl az érdeklõdõk a http://www.core.hu/~demeny és a http://www.met.hu/leo/haszpra.htm honlapokon olvashatnak további információt.
 
 

A könnyûelem stabilizotóp-geokémia a fent említett elemek stabilizotóp-arányaival foglalkozik. Ezen elemek a természetben igen jelentõs mennyiségben és változatos formában vannak jelen, ezért vizsgálatuk számos természeti folyamatról ad fontos információt.

Az utóbbi évtizedek egyik legjelentõsebb társadalmi és tudományos problémája a globális felmelegedés veszélye, illetve az emberiség által ebben játszott szerep. Mint ismeretes, a globális felmelegedés egyik hajtómotorjának az üvegházhatású gázok mennyiségének növekedését tartják. Ezt mutatja be a fönti ábra (forrás: http://www.noaa.gov), amely az utóbbi 160 ezer évet öleli fel. A sarkvidéki jégtakaróba fagyott levegõzárványok analízisébõl ismerjük a légkör múltbeli összetételét. A glaciálisok során a CO₂ mennyisége csökken, az interglaciálisok során pedig növekszik. Az utolsó néhány száz év azonban a természetes folyamatoktól eltérõ mértékû növekedést mutat (lásd a kisméretû ábrát), ami az emberi tevékenységhez, az ipari termelés növekedéséhez, az erdõirtásokhoz és a fosszilis tüzelõanyagok egyre nagyobb mennyiségû elégetéséhez kapcsolható. A légkör szén-dioxid tartalma ugyan folyamatosan nõ, ugyanakkor a növekedési ütem erõsen ingadozik. 1992 táján a növekedés megállni látszott. Ennek oka a Mt. Pinatubo 1991. nyári kitörése volt. A légkörbe juttatott nagyszámú aeroszol részecske átmenetileg mintegy 0,5 fokkal csökkentette az északi félgömb hõmérsékletét. Ez mérsékelte a szerves anyagok bomlásából származó CO₂ kibocsátást, miközben nem befolyásolta lényegesen a fotoszintézissel felvett mennyiséget. A növekedési ütem ingadozásában szerepe lehet az El Niño jelenségnek, és más folyamatoknak is. A 90-es évek elején belejátszhatott a Szovjetunió szétesésével az ipari termelés csökkenése is. Az üvegházhatású gázok koncentrációnövekedésének mérséklésére hívták életre a Kiotói Egyezményt, amely az antropogén CO₂ kibocsátás csökkentésérõl rendelkezik. A legújabb eredmények azt mutatják, hogy az északi félgömb bioszférája nettó szén-dioxid felvevõ, azaz a növényzet több szén-dioxidot vesz fel, mint amennyit a talajjal együtt kibocsát. Ebbõl is látható, hogy a döntéshozatalban jelentõs szerepe lehet a tudományos kutatásnak. A széndioxid-kutatás fõ problémája a kibocsátók és nyelõk azonosítása és arányaik meghatározása. Ennek elemzésére globális és lokális mintavételi hálózatokat hoztak létre. A legnagyobbat az amerikai National Oceanic and Atmospheric Administration tartja fenn, de az európai és japán intézmények is foglalkoznak a problémával. A mintavevõ hálózatok felállítás és mûködtetése után a következõ probléma az innen származó eredmények összehasonlíthatósága, ami a jelen kutatás egyik vizsgálati területe.

A megbízható globális modellek megalkotásához ismernünk kell a lokális rendszerek mûködését. Ebben a munkában vesz részt évek óta az Országos Meteorológiai Szolgálat a hegyhátsáli (Körmend mellett) és a K-pusztai (Kecskemét mellett) mérõállomások mûködtetésével. A jelen munkában a K-pusztai háttérállomáson, illetve egy jelentõs lokális szennyezõforrás, Budapest két pontján vettünk levegõmintákat és vizsgáltuk ezekben a CO2 stabilizotóp-összetételét. A kutatás célja az évszakos és napszakos változások kimutatása a légköri szén-dioxidstabilizotóp-összetételében, a szennyezett és háttér területek összehasonlítása, valamint a szén-dioxid kibocsátás és felvétel mechanizmusához kapcsolódó izotópfrakcionációs folyamatok megismerése volt.

Módszertan

A levegõ CO₂-tartalma közel 370 ppm, emellett a jelen tanulmány szempontjából fontos vegyület, az N₂O kb. 350 ppb mennyiségben van jelen. Az N₂O molekulatömege egyezik a CO₂-vel, ami a tömegspektrométeres izotóparány-meghatározást meghamisítja. Két megoldás kínálkozik: az N₂O mennyiségének ismeretében korrigálhatjuk az adatokat, illetve elválaszthatjuk a két gázkomponenst. Miután a kutatás során erõsen szennyezett, tehát sok N₂O-t tartalmazó városi levegõt akartunk vizsgálni, ezért ez utóbbi módszert választottuk.

A képeken a széndioxidnak a levegõbõl történõ kinyerésére alkalmazott vákuumrendszer és a tömegspektrométer, valamint a vákuumrendszer mûködési elvét ábrázoló rajz látható. A CO₂ és az N₂O cseppfolyós levegõvel történõ kifagyasztását követõen gázkromatográffal történik az elválasztás, majd a CO₂ ban a ¹³C/¹²C és ¹⁸O/¹⁶O izotóparányokat a tömegspektrométerrel határozzuk meg. A bemutatott izotópösszetételek a hagyományos d értékben szerepelnek; d =(Rminta/Rstandard-1)·1000, az adatok dimenziója így ‰. Rminta és Rstandard a mintában, illetve az ún. PDB-CO₂ sztenderdben meghatározott izotóparány.
 

Eredmények
 

Az ábrák a K-pusztán gyûjtött levegõ CO₂-tartalmát, illetve szénizotóp-összetételét mutatják napszakok és évszakok szerint. Mint látható, télen és õsszel a növényzet aktivitása lecsökken. Érdekesség, hogy a téli és az õszi adatok nem különböznek jelentõsen. A nyár természetszerûen a legintenzívebb növényi aktivitás idõszaka. A napszakok tekintetében a legjelentõsebb biogén CO₂-felhalmozódás a korahajnali órákban történik, ami adódhat a növényi CO₂-kibocsátás és/vagy a levegõkeveredés mértékének változásából. Ekkor a legnagyobb a növényzetbõl származó CO₂ mennyisége, amit az erõsen negatív d ¹³C jelez. Ezzel szemben a regionális háttér összetétele a légkör intenzív függõleges átkeveredése miatt leginkább a kora délutáni órákban jelenhet meg, amint a késõbbiekben látni fogjuk.

A jelen tanulmány egyik különlegessége, hogy a levegõmintákat folyamatos vízmentesítés mellett vettük (kivéve a normafai mintavétel esetében), ezért az eredeti oxigénizotóp-összetétel megõrzõdött a mintában.

 

A K-pusztai minták érdekes eloszlást mutatnak. A különbözõ színû pontok különbözõ hónapokat jelentenek. A nyári hónapokban ciklicitás jelenik meg, a délután során a szénizotóp-összetétel túl is lendül pozitív irányban. Ennek oka a növényzet CO₂-megkötõ hatása, ami a levegõben maradó CO₂-t nehéz izotópban dúsítja. Ilyen erõteljes növényzeti hatást a két másik mintavevõ helyen nem mutattunk ki.

A szénizotóp/összetétel napszakos és évszakos változását mutatják a fenti ábrák. A nyári hónapokban mindegyik ponton jól meghatározott trend jelentkezik, a növényzeti hatásnak megfelelõen. Ugyanakkor a téli és õszi hónapokban a budapesti mérõhelyeken teljesen zavarttá válik a rendszer. Ennek oka elsõsorban a fûtésben kereshetõ, hiszen a szintén erõteljes CO₂-kibocsátást okozó autóforgalom a nyári hónapokban is jelen van.

 A szén és oxigénizotóp-összetételek ábrázolásakor azt várhatjuk, hogy a globális hátteret és a lokális szennyezõk összetételét összekötõ trendeket kapunk. Lokális szennyezõnek számít ebben az esetben a növényzet is. Ezen az ábrán már szerepel a hegyhátsáli adatsor is. Itt 96 m magasságban történik a mintavétel, az izotópösszetételeket a NOAA határozza meg. A hegyhátsáli mérõhely is háttérállomásnak minõsül, ezért antropogén hatással nem számolunk. Ezen a mérõhelyen kora délután veszik a mintákat, ezért külön választottuk a kora délutáni adatokat, majd ezekre számoltunk korrelációt. Érdekes módon a kora délutáni adatok trendjei nem esnek egybe a hegyhátsáli trenddel, tehát itt a növényzet erõteljes frakcionációs hatásával számolhatunk. Láttuk, hogy a növényzet CO₂ megkötõ hatása jelentõs frakcionációt okoz, ez jelenik meg a korrelációs trendekben.

A következõ kérdés az, hogy valóban összehasonlíthatjuk-e a NOAA adatokat a sajátjainkkal. Azt tapasztaltuk, hogy jelentõs a különbség. Milyen hatásnak tulajdonítható az eltérés? Az egyik jelentõs folyamat a CO₂ felszíni felhalmozódása, ami fõként szélcsendes éjszakákon történik meg (a gyenge függõleges átkeveredés nappal a fotoszintézis miatt éppen ellenkezõ hatást vált ki, csökkenti a levegõ CO₂ koncentrációját). Vessük hát össze az izotópadatokat a szélsebességek közötti eltéréssel.

A k-pusztai és hegyhátsáli adatok nem mindig ugyanazon napra vonatkoznak, ezért csak félkvantitatívnak tekinthetjük az eredményeket. Viszont még ebbõl az adatsorból is kitûnik, hogy az adatok korrelálnak a szélsebességel, tehát ahol kisebb a szélsebesség, ott negatívabbak az izotópösszetételek. Ez viszont felveti azt a kérdést, hogy vajon valóban összehasonlíthatóak-e a különbözõ helyeken vett minták adatai? A megoldás a sztenderdizálás, tehát az izotópmérési feltételek mellett a mintavételi feltételeket is rögzíteni kell és össze kell hasonlítani.

Végezetül a kutatás egy érdekes aspektusát mutatjuk be. A fönti ábra – a mintavételek során fennálló északnyugati légáramlás figyelembe vételével – a budapesti átlagos levegõszennyezettséget jelképezõ pestlõrinci OMSZ állomás és a háttérként vehetõ normafai szénizotópösszetételek különbségét mutatja. Két érdekesség jelenik meg. Az egyik, hogy az éjszakai órákban az OMSZ területén negatívabb a szénizotóp-összetétel, mint a Normafánál. Ez az antropogén CO₂ éjszakai felhalmozódását mutatja. A másik érdekesség egy trend megjelenése. A kutatás egy éve alatt is feltételezhetõ az antropogén CO₂ mennyiségének növekedése. Természetesen ennek értékeléséhez hosszabb idõsor lenne szükséges, aminek azonban a hosszútávú finanszírozás elõfeltétele.