Happamoituminen. Happamoittavien (rehevöitt. ittävien) aineiden

Transkriptio

1 Happamoituminen Happamoittavien (rehevöitt ittävien) aineiden päästöt, t, kulkeuma ja muunnunta 1

2 Rikkipää äästöjen muunnunta Rikkipäästöt tulevat ilmaan pääosin rikkidioksidina. Se muuntuu kemiallisesti rikkihapoksi, joka dissosioituu sulfaatiksi ja vetyioneiksi, jotka aiheuttavat happamoitumista. Sulfaatti reagoi myös ammoniumin kanssa muodostaen ammoniumsulfaattia. Päästöt t ja muunnunta SO 2 fossiiliset polttoaineet (hiili, öljy, turve) malmien rikastus (sulfidimalmit) luontaiset lähteet (esim. tulivuoret) Hapettuu ilmakehässä, maaperässä tms. rikkihapoksi reagoimalla hydroksyyliradikaalin kanssa (muutamassa päivässä) 1. SO 2 + OH (+M) HSO 3 (+M) epästabiili 2. HSO 3 + O 2 HO 2 + SO 3 3. SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 happamoittaa 2

3 SO 2 -päästöt - rajoittaminen Rikin oksidien poistoon savukaasuista kymmeniä eri menetelmiä, tärkeimpinä polttoaineen rikkipitoisuuden vähentäminen ja rikin poistaminen savukaasusta Yleisimpänä rikin sitominen kalkkiin (poistaminen savukaasuista erillisessä yksikössä): injektoidaan kalkkikiveä CaCO 3 tai poltettua kalkkia CaO esim. CaCO 3 + SO 2 + 1/2O 2 CaSO 4 + CO 2 Etuina: hyvä puhdistustulos (vähenemä jopa yli 90%) lopputuotteen (kipsin) hyötykäyttömahdollisuudet Vähärikkiset polttoaineet esim. kivihiilet paino-% (VnP 888/1987) polttoöljyn rikkipitoisuus (VnA 766/2000) SO2 päästöt t Euroopassa ja pääp äästövähennysten syyt (lähde: CIAM report 1/2007) Päästötaso ilman toimenpiteitä Vähennykset siirtymisestä puhtaampiin polttoaineisiin (esim. kivihiilen ja öljyn korvaaminen kaasulla ja biomassalla) ja energiaintensiivisen teollisuuden väheneminen Euroopassa Vähennykset päästövähennys tekniikoiden ansiosta ( piipunpää ) Toteutuneet ja ennustetut SO2 päästöt Euroopassa

4 Kokonaispää äästöt t Suomessa SO x SOx (SO2:na) (1000 t/a, SYKE) Huom! kaukokulkeuman vaikutus: Suomeen tulee enemmän kuin omat päästöt ovat Päästöt vuonna 2006: 85,2 kt/a NEC-direktiivi 2010: 110 kt/a Energiantuotanto (sähkö, lämpö, prosessien voima) Teolliset prosessit Muut liikkuvat Päästöt korkeimmillaan 70-l: ~ tn SO 2 /a SOx-päästöt Suomessa % 0% 0% 0% 6% 0% 13% 34% 5% 42% sähkön-ja lämmöntuotanto (energialaitokset) sähkön-ja lämmöntuotanto (asuin-ja palvelurakennukset) teollisuuden voimantuotanto teollisuustuotanto foss. pa jakelu liuottimien käyttö tieliikenne muut liikkuvat jätteiden ja jätevesien SO2 päästöt t Suomessa 2000 pistelähteet, laivapää äästöt Karvosenoja ym. Wahlström ym. 4

5 S-laskeuma tulevaisuudessa laivapää äästöt t fokuksessa Muiden päästölähteiden vähetessä kansainvälillä vesillä tapahtuvien laivapäästöjen suhteellinen osuus kasvaa paikoin jopa yli 20-30% Kansainvälisillä vesillä tapahtuville laivapäästöjen vähentämisen tehostamiselle paineita (polttoaineen rikkipitoisuus, savukaasujen puhdistus) Satamissa ja sisävesillä jo rajoituksia Typpipää äästöjen muunnunta Suuri osa typpipäästöistä tulee ilmaan typpimonoksidina. Typen oksidit osallistuvat moniin reaktioihin ilmassa mm. otsonin ja hiilivetyjen kanssa. Niistä syntyy myös typpihappoa, joka dissosioituu nitraatiksi ja vetyioneiksi, jotka aiheuttavat happamoitumista. 5

6 Päästöt t ja muunnunta NOx 40% päästöistä fossiilisten polttoaineiden käytöstä, erit. liikenne Päästölähteellä >90% NO muuntuu päästölähteen lähellä: I. 2NO + O 2 2NO 2 (0.5%/s kun 1000 ppm, merkityksetön tavallisissa troposfäärin olosuhteissa) II. Normaaleissa troposfäärin olosuhteissa muunnunta: NO + O 3 NO 2 + O 2 (n. 1 min kun 30 ppm) Poistuminen: muuntuminen nitraatiksi NO 2 + OH HNO 3 (päivisin) NO 2 + O 3 NO 3 + O 2 ; (öisin) NO 3 + NO 2 N 2 O 5 ; N 2 O 5 + H 2 O 2HNO 3 lisäksi vesifaasissa useilla eri mekanismeilla Päästöt t ja muunnunta NH 3 NH 3 (ammoniakki) eloperäisten typpiyhdisteiden (mm. urea, lanta, lannoitteet) biologinen hajoaminen NH 3 + H 2 SO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 (ammoniumsulfaatti) Ammoniumsulfaatti/-nitraatti poistuu pääasiassa sateen mukana (märkädepositio), mutta myös hiukkasmaisena (kuivadepositio) Maaperässä ja vesistöissä hapettuu biokemiallisesti nitraatiksi (NO 3 ) Nitrifikaatio NH O 2 NO 3- + H H + happamoittaa rehevöittää 6

7 Kokonaispää äästöt t Suomessa NH 3 (1000 t/a, SYKE) NH Karvosenoja ym. 98% maataloudesta (maatalouden supistuminen aiheuttanut vähennyksen) 2% teollisuus (lähinnä prosessit) Päästöt vuonna 2006: 36,4 kt/a NEC-direktiivi 2010: 31 kt/a, Suomi ylittää tai alittaa tavoitteen riippuen skenaariosta, päästöjen tarkka arviointi vaikeaa Ammonniakkipäästöjen vähentäminen on tulevaisuuden haaste (tärkeimpiä keinoja: vähäpäästöinen rehu ja lannoituksen määrän optimointi) Ammoniakkipäästöt ovat peräisin pääosin karjataloudesta ja maanviljelyksestä. 7

8 Päästöjen arviointi integroidut arviointimallit (Integrated( Assessment Models - IAMs) ja päästöinventaariot Aktiviteeti t Päästöt Leviämine n Vaikutuks et Kansalliset päästöinventaariot ovat tärkeä työkalu jo toteutuneiden päästöjen tarkkailussa Tulevaisuuden päästöjen ja päästövahennysmahdollisuuksi en arviointiin on kehitetty nk. yhdennettyjä arviointimalleja: RAINS/GAINS (Eurooppa) Useita kansallisia malleja (esim. FRES-Suomi, Imperial College Englanti) Perusajatuksena päästöarvioissa on yhdistää aktiviteetteihin (esim. energian käyttö tai ajoneuvokilometrit) päästökertoimia (esim. massa per aktiviteetti) Vaikutusarvioihin pääsemiseksi tarvitaan päästöjen leviämisarviot (pitoisuudet, laskeumat) ja tietoa millä pitoisuus/laskeumatasolla mitäkin vaikutuksia esiintyy Suomen IAM kehikko (KOPRA- ja PILTTI- hankkeet) SYKE: regional primary (mass, number) and secondary precursor emissions (FRES model) FMI: atm. transport modelling + atm. chemistry (MATCH) and aerosol processes (MULTIMONO) reduction technologies and costs emission scenarios atmospheric processes and transport concentrations of primary and secondary PM energy and activity scenarios emission reduction requirements population exposure and risks KTL: population exposure, risk modelling and decision support 8

9 Finnish Regional Emission Scenario (FRES) model modeling Arvioi ihmisperäiset päästöt vuosille 1990, 2000, 2010, 2020 (useita skenaarioita) Primääri hiukkaspäästöt useille kokoluokille (TSP, PM , kemiallinen koostumus) SO 2, NO x, NH 3, NMVOC Sisältää päästöjen vähennys-teknologiat ja niiden kustannukset 8 pääsektoria, yli 100 alasektoria 250 isoa pistelähdettä, aluepäästöjen resoluutio (1 1km 2 ) Useita päästökorkeuksia PM 2.5 SO 2 NO x Vuoden 2000 pääp äästöjen alueellinen jakautuminen Suomessa SO 2 NO x NH 3 NMVOC 9

10 Happamoittavien aineiden poistuminen ilmasta ja vaikutukset ekosysteemeihin Poistuminen ilmasta - happamoittava laskeuma (depositio) Märkälaskeuma NO 2 (muuntuneena nitraatiksi), NH 3 ja SO 2 liukenevat sadepisaroihin (reaktiot) poistuminen sateen tai sumun mukana (huom! sademäärät) pääasiallinen poistumistie Kuivalaskeuma Sateen luontainen happamuus (ph=~5): CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + HCO 3 - Ammoniumnitraatti/-sulfaatti hiukkasina Myös suoraan kaasufaasista (SO 2 ) Laskeuma voi olla myös neutraloivaa! alkalit Ca, K, Mg (esim. sementtitehtaat) 10

11 Laskeuman yhteismitallistaminen H 2 SO 4 2 * H + - rikin atomimassa 32 - jaetaan 2:lla 16 mg S = 1 meq (SO 4 -S) - siis 50 meq (SO 4 -S) = 16*50=800 mg S HNO 3 1 * H+ - typen atomimassa mg N = 1 meq (NO 3 -N) Sadeveden ja laskeuman laadun seuranta (SYKE) Ympärivuotinen mittaus, 1971 alkaen 29 havaintoasemaa taajama-alueiden ulkopuolella ei päästölähteitä lähistöllä Mittaukset pyrkivät edustamaan alueellista perustasoa Kuukausittainen sadevesinäyte sademäärä ph, sähkönjohtavuus, SO 4 -S, Cl -, Ca +, Mg +, Na +, K +, NO 3 -N, NH 3 -N, kok-n, kok-p ainekuorma mg/m 2 11

12 Rikkilaskeuma 1990 ja 1995 Rikin laskeuma 1990 Rikin laskeuma 1995 Päästöt korkeimmillaan Euroopassa 1980 Laskeuma 1980: Keski-Euroopassa >4 g S/m 2 /a Etelä-Ruotsissa ja Etelä- Norjassa 2-3 g S/m 2 /a Etelä-Suomessa 1-2 g S/m 2 /a Laskeuma 2000: Etelä-Ruotsissa ja Etelä- Norjassa 0,5-1 g S/m 2 /a Etelä-Suomessa <0,5 g S/m 2 /a (lähde: Vuorenmaa 2007) Puskurikyky ja kriittinen kuormitus Puskurikyky = hapon vastustuskyky (kationien määrä vs. H + määrä) Kriittinen kuormitus = kuorma sietokyky [Suurin laskeuma, jonka luonto sietää ilman merkittäviä vaurioita] Vesistöt - Kriittinen kuormitus alittuu, kun kalastossa ei tapahdu haitallisia kannanmuutoksia Metsämaat - Kriittinen kuormitus alittuu, kun puuston hienojuuristo ei vaurioidu (mittarina Al/Ca-suhde) Kriittinen kuormitus on paikkakohtainen 12

13 PUSKURIKYKY - vesistöt Luonto sietää tietyn määrän hapanta kuormitusta sen vuoksi, että luonnolla on ns. puskurikyky. Puskurikyky = hapon vastustuskyky (kationien määrä vs. H + määrä) Vesistöissä puskurointiin osallistuvat mm. humusaineet sekä ennen kaikkea vetykarbonaatti. Sadevesi on luontaisesti hapan (ph=~5-5,5), koska siihen liukenee ilmasta hiilidioksidia: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Vetyionien lisääntyessä reaktio kulkee vasemmalle, jolloin vedestä poistuu CO 2 MAAPERÄN PUSKURIKYKY Maaperässä tärkeän puskurin muodostavat maahiukkasten pinnalle sitoutuneet kationit (Ca 2+, Mg 2+ ym.) Vetyionit syrjäyttävät kationeja, jotka kulkeutuvat vajoveden mukana alaspäin maaperä köyhtyy ravinteista ja happamoituu 13

14 Maaperän n rapautuminen Maaperän rapautuminen tuottaa siihen jatkuvasti uutta puskurikapasiteettia. Rapautumisnopeus riippuu suuresti maaperän laadusta ja kiviaineksesta. Hapan maaperä Hapan kivilaji sisältää runsaasti piidioksidia eli SiO2 Happamassa kivessä tai maaperässä on vain vähän puskurikykyä nostavia kationeja (Ca, K, jne.) Kuvassa Euroopan happamien kivilajien levinneisyys. Suomessa happamat kivilajit (graniitti ja gneissi) ovat yleisiä. Niistä syntyy hapanta maaperää, jonka puskurikyky on heikko ja maaperä siten alttiina happamoitumiselle. Kivilajien happokuormituksen kestokyky (kg S/ha/a) graniitti (kvartsi) <3 gabro 8-16 kalkkikivi >32 14

15 Hapan metsämaa maa Suomen metsämaan pinta on jääkauden jälkeen happamoitunut ja köyhtynyt, koska siitä on ravinteita huuhtoutunut alaspäin. Ylin maakerros on tuhkanharmaata uutekerrosta. Sen alapuolella saostuvat alaspäin vajoavat rauta ja alumiini, jolloin muodostuu ns. rikastumiskerros. Siinä ei kuitenkaan ole paljon ravinteita, vaan ne vajoavat pohjaveteen. Kaaviokuva osoittaa, miten alaspäin vajoava hapan sadevesi huuhtoo pintakerroksia ja muodostuu rikastumiskerros. 15

16 Esitetyt maaperän ylimmän kerroksen happamoitusmis- ja köyhtymisreaktiot ovat luontaisia. Ne aiheuttava hiilihappo on kuitenkin heikko happo, joten ilmansaasteiden aiheuttama rikki- ja typpihapon kuormitus nopeuttaa voimakkaasti ko. prosesseja. Alumiini liukenee happamoitumisen vaikutuksesta Happamoituminen aikaansaa alumiinin muuttumisen liukoiseen muotoon sekä vesistöissä että maaperässä. Tällä on haitallisia vaikutuksia vesi- ja maaeliöille sekä kasvien juuristolle. 16

17 Happamoitumisen vaikutukset vesistöt Arvio (SYKE) 4900 hapanta järveä (ph<7) eri puolella Suomea, joista puolet luontaisesti happamia Hapan laskeuma todennäköisesti vaurioittanut kalakantaa (särki ja ahven) vesieliöt ja herkkyys (myrkylliset metallit Al): ph > 6 äyriäiset ph > 5.5 lohikalat, särkikalat ph > 5 ahven, hauki ph > 4.5 ankerias kasvisto muuttuu (~ph 5.5 levät sammalet) plankton - herkkyys vaihtelee lajeittain ph 4-6 huom! välilliset vaikutukset muihin eliöihin Eri lajit ovat sopeutuneet eri tavoin veden happamuuteen. Jotkut vesisammalet elävät vain happamissa vesissä, monet lajit eivät pysty elämään happamissa olosuhteissa. 17

18 Esimerkkijärvi rvi ph nousi SO 4 laski Ca laski PK nousi Puskurikyvyn ja SO 4 -pitoisuuden kehitys 90-luvulla J. Mannio (2001) Järvet toipumassa Vastaavaa trendiä myös muualla Euroopassa 18

19 Puiden harsuuntumista on käytetty ilmansaasteiden indikaattorina, mutta myös muut tekijät vaikuttavat Harsuuntumistutkimus perustui yleiseurooppalaiseen standardiluokitukseen (alakuva), jolla pyrittiin saamaan eri maiden tutkimukset vertailukelpoisiksi. Happamoitumisen vaikutukset metsät ja pohjavedet puskurikyky pienenee (emäskationien vapautumisnopeus < laskeuma H + ) ph laskee (metallien liukoisuus) pohjaveteen metalleja jos happamoituminen tarpeeksi pitkällä, ravinteet puiden juuristovyöhykkeen ulkopuolelle Suomessa lievät pohjaveden ph:n aleneminen paikoittainen pohjaveden Al-pitoisuuden kasvu ei selviä happamoitumisen aiheuttamia ph muutoksia metsämailla kriittinen kuormitus kuitenkin ylittyy 19

20 Hapan laskeuma ja materiaalit Kalkkikivi/marmori (CaCO 3 ) CaCO 3 (s) + H 2 SO 4 (l) CaSO 4 (s) + H 2 O(l) + CO 2 (g) 2CaCO 3 (s) + 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2CaSO 4 (s) + 2CO 2 (g) Kriittinen kuormitus Kriittisen kuormituksen laskennan perusteena on se, että määrätään ennalta kriittinen taso, jonka yli ympäristön tila ekosysteemissä ei saa huonontua. Metsämaille taso määrätään siten, että puuston hienojuuristo ei ole vaarassa vaurioitua. Tällöin kemiallisen kriteerin kynnysarvona toimii maaperän happamoitumisastetta kuvaava metsämaan alumiinikalsium-suhde, jolla on havaittu olevan yhteys juuristovaurioiden kanssa. Järvissä suojeltavana kohteena on kalasto, jossa ei saa tapahtua haitallisia kannanmuutoksia. Kemiallisena kriteerinä vesistöissä käytetään vesistöjen hapon neutraloitumiskykyä (=alkaliniteetti), koska se ilmentää parhaiten vedenlaadun vaikutusta vesieliöiden menestykseen (Kämäri ym. 1992). 20

21 Hapan laskeuma Euroopassa 2000 ja 2020 (% metsäalasta, jolla kriittinen kuormitus ylittyy) Hapan laskeuma Euroopassa 2000 ja 2020 (% makean veden ekosysteemeistä,, joilla kriittinen kuormitus ylittyy) 21

22 Rehevöitt ittävä typpilaskeuma Euroopassa 2000 ja 2020 (% ekosysteemien pinta-alasta, alasta, jolla kriittinen kuormitus ylittyy) Aasian kasvavat taloudet ja ilmansaasteet lähde: D. Streets 22

23 Kiinan ja Intian pääp äästömääriä (lähde: J. Cofala 2007) Vertailuun EU-25 päästöt (1000 kt/a) vuonna 2000 (ilman merenkulkua): SO2: 8,7 (päästöjen arvioidaan laskevan 68% 2020 mennessä) NOx: 11,6 (päästöjen arvioidaan laskevan 49% 2020 mennessä) Globaali SO2 satelliitista (SCHIAMACHY, lähde: l J Burrows 2007) Andreas.Richter@iup.physik.uni-bremen.de 23

24 Globaali NO2 satelliitista (SCHIAMACHY) NO2 kaukokartoitus satelliitista Päälähteet eroteltu vuodenaikaisvaihtelun perusteella NO2 pitoisuuksien kehitys ja luvun vaihteessa eri puolilla maailmaa Satelliittiaineistot (GOME) Kiinassa kasvavat päästöt Japanissa ja USAssa päästöt pysyvät ennallaan Euroopassa laskeva päästötrendi 24

25 Kiinan NOx-pää äästöt (lähde D. Streets 2007) Päästömäärät ovat kasvaneet globaalissa mittakaavassa harvinaisen nopeasti viimeaikaisen talouden ja tuotannon voimakkaan kasvun myötä jatko? Päästölähteiden suhteelliset osuudet ovat myös muuttuneet 25