Atomerőmű, 1993 (16. évfolyam, 1-12. szám)
1993-07-01 / 7-8. szám
ATOMERŐMŰ 7 Dr. Marx György: Oxigén, ózon, civilizáció Napfény Az elektromágneses sugárzás színképét leírhatjuk a hullámhosszal, a v=c/frekvenciával és az=energiakvantummal. Meleg szilárd testek a Planck-törvény által leírt spektrumú hősugárzást bocsátanak ki, amelynek energiakvantumait hozzávetőlegesen a hv=kT ekvipartíciótételből becsülhetjük meg. A maximális intenzitás a Wientörvény szerint a hv=5 kT képlet, azaz T=3 mm fok adja meg. (Itt c a fénysebesség, h a Planck-állandó, k a Boltzmannállandó.) A Nap felszíni hőmérséklete 6000 K, ezért színképében a legnagyobb intenzitást 500 nm hullámhossznál találjuk. Ebben a tartományban történő érzékelésre fejlődött ki az emberi szem: az ibolyakéktől (400 nm, 0,50 aJ) a bíborvörösig (800 nm, 0,25 aH) terjedő sávban működik (optikai tartomány). 0,25 aJ- nál kisebb energiájú fotonokat infravörösnek (IR), 0,5 aJ-nál nagyobb energiájú fotonokat ultraibolyának (UV) mondunk. A Föld-felszín átlaghőmérséklete 300 K, tehát a Föld legintenzívebben 10000 nm (10 um) hullámhossz táján sugároz, ami 0,025 aJ-nak felel meg. Termikus egyensúlyban a Föld ugyanannyi energiát emittál (a talaj, tenger, felhőzet infravörös kisugárzása formájában), mint amennyi energiát elnyel (aNapból érkező látható napfény gyanánt). Ha nagyobb a kisugárzás, a Föld lehűl (például téli éjszakákon). Ha nagyobb az elnyelés, a Föld fólmelegszik (például nyári délidőben). A középhőmérsékletet az elnyelés és kisugárzás egyensúlya szabja meg, ez jelenleg + 15 °C. Különböző atommagokból felépült molekulákban a nagyobb töltésű atommag magára húzza az elektronokat. A kialakuló pozitív és negatív végeknél ragadja meg a molekulákat az elektromos térerősség. Az elektromágneses hullám megrezegteti a poláros molekulákat. Ha az elektromágneses rezgés frekvenciája épp megegyezik az atomokat összekapcsoló kémiai kötés saját frekvenciájával, rezonancia folytán berezegnek a molekulák, megfelelő sávot elnyelve az elektromágneses spektrumból. A C02-molekula sajátfrekvenciája 2 • 1013 s'1, ez elnyeli az ugyanekkora frekvenciájú, 15 000 nm hullámhosszú sugárzást. Az 03 molekula sajátfrekvenciája (következésképp az elnyelt sugárzásé is) 3 -1013 s"1, az elnyelt sugárzás frekvenciája ugyanekkora, hullámhossza pedig a 7500 nm sávjába esik. Ha ipari tevékenység folytán nő a szén-dioxidmenynyisége a légkörben, akkor lecsökken a sugárzási veszteség, fólmelegszik a Föld (üvegházhatás). Ezt tapasztaljuk napjainkban. Az új (magasabb) egyensúlyi hőmérséklet beállására körülbelül egy emberöltőt kell várni. Az atomokban és molekulákban kötött elektronok geijesztése (magasabb kvantumszámú pályára lökése) jóval több energiát igényel, a H-atom esetében például 1,6 aJ értéket (128 nm). Az elektron letépéséhez még több energia kell (például a hidrogénatom ionizációs energiája 2,2 aJ), ami 10 nm-nél rövidebb hullámhossznak felel meg. A Nap sugárzásában szép számmal akadnak 100 nm-nél rövidebb hullámhosszú ultraibolya fotonok is. Ezek ionokat keltve elnyelődnek a légkör legfólső rétegében. Az ionoszféra 100 km fölött terül el, hőmérséklete magas. A molekulákat kötő elektronok szétterülnek, hullámhosszuk nagyobb, mint az atomban. A molekulák könnyebben gerjeszthetők, megbonthatóak. 0,6 aJ-nál nagyobb energiakvantumok szétroncsolják az élet számára fontos szerves molekulákat. Kemény ultraibolya sugárzás lehetetlenné teszi az életet. Az élet a szelíd látható napfényt hasznosítja fotoszintézis által, mégsem a napsütötte szárazföldön jött létre, hanem sekély tengeröblökben, ahol a víz véd az ultraibolya sugárzástól. Oxigén Az élet a 6000 K hőmérsékletű napfényt hőgép gyanánt hasznosítja a 300 K hőmérsékletű környezetben. A C02-ből kivonja a szenet, fotoszintézissel szabad energiát tároló szerves molekulákat épít föl, az oxigént pedig kibocsátja a légkörbe. A molekuláris oxigén oxidálószer, amely zavart okozhat a sejt biokémiai reakcióhálózatában. Ellene a szervezet hibajavító enzimeket fejlesztett ki. Az eredeti, főleg C02-t és N2-t tartalmazó légkörben a tengeri algák fotoszintézisének hatására az oxigén mintegy 2 milliárd évvel ezelőtt kezdett földúsulni (1% fölé). Erről a Föld geológiája árulkodik, például legközönségesebb fémünk a felszínen korábban zöldes FeO, később oxigéngazdagabb rozsdavörös Fe203 formájában volt jelen. Az urán egyszerű sója, például a nitrát vízben nem oldódik. Elemi oxigén jelenlétében azonban uranil-nitrát (UO)(NO)2 formájában fordult elő, ami viszont vízben jól oldódik. Az oxigénben dúsuló légkörben tehát az urán kioldódhatott a kőzetekből. Ahol a patakvíz korhadó szerves anyaggal találkozott, ott az urán humuszssavas sója képződött. Ez oldhatatlan csapadék formájában kivált, mint azt Szalay Sándor kísérletileg kimutatta az 1950-es években. Ezért gazdag uránban a dunántúli (ajkai, várpalotai) szén pernyéje. Közép-Afrika algatelepein 2 milliárd éve nagy mennyiségű uráncsapadék gyűlt össze. Oklóban a franciák uránbányát nyitottak atomenergia-iparuk ellátására. Legnagyobb bosszúságukra azt találták, hogy a kibányászott uránban szokatlanul kevés a hasadó 235U izotóp! Ennek okát nyomozva jöttek rá, hogy Oklóban 2 milliárd éve több atomreaktor működött, az fogyásztotta el a 235U izotópot. A légkör szerkezete Ma a természetes urán 238U- tartalma 99,3%, 235U-tartalma 0,7%. Hogy lassításra természetes vizet használó reaktorban kifejlődhessen a neutronláncreakció, ahhoz a 235U izotópot 2,5%-ra föl kell dúsítani. A 238U felezési ideje 4,5 milliárd év, a 235U felezési ideje 0,7 milliárd év. Egyszerű számolás megmutatja, hogy 2 milliárd évvel ezelőtt természetes uránban 2,5% volt a 235U-koncentráció. Annak idején tehát természetes urán és természetes víz önszabályozó láncreakciót hozhatott létre. Az uránhasadásban keletkező neutronokat a talajvíz lelassította, így azok újabb uránmagokat hasítottak. Túlhevülés esetén a víz elforrt, a láncreakció leállt. Közép-Afrikában több millió éven át néhány kW hőteljesítményű természetes reaktorok működtek, amit a hasadási termékek jelenléte bizonyít. (A hasadványok a talajban kétmilliárd év alatt sem diffundáltak messze a keletkezési helyüktől.) Amikor 235U mennyisége 2% alá esett, a reaktor leállt. Az egészet vidáman túlélő algák újra uránt kezdtek gyűjteni. Amikor elegendő összejött, a reaktor újra megindult. El lehet gondolkozni a történelmi gondviselésen. A homo sapiensig elvezető biológiai evolúció elég lassú volt. 2 milliárd éve még nem volt katonai technika, nem volt, aki az atombombát törzsi konfliktusok megoldására bevesse akkor, amikor az még izotópszétválasztás nélkül is elkészíthető lett volna. Másrészt a biológiai fejlődés elég gyors volt ahhoz, hogy amikorra a civilizáció kifejlődött, a 20. századra még maradt egy kevés a szupernóvától öröklött 235U-ból, hogy a felelősséget megtanult emberiség atomerőműveket építve elkerülhesse a kézenfekvőbb széntüzelés által felfokozott üvegházhatást. Ózon Magas hőmérséklet vagy ultraibolya sugárzás hatására a molekuláris oxigén megbomlik, atomos oxigén és ózon keletkezhet. hv+ 02 O+O, 0+ 02 03 A magasabb energiatartalmú ózon ütközések során oxigénné alakul vissza. 03+X X+02+0, 0+0+X 02+X. A tiszta ózon robbanékony, mélykék, aktívan oxidáló, ezért mérgező, köhögésre ingerlő gáz. A látható napfényt a talaj nyeli el. A talajtól melegített alsó légréteg a troposzféra. A talajhoz közel ózon keletkezhet magas hőmérsékletű égés során (autómotorban, gázturbinában). A troposzférikus ózon tüdőt ingerlő légszennyezés. A troposzféra és ionoszféra közt terül el a hideg sztratoszféra. Benne a Nap ultraibolya sugárzásának hatására naponta 300 millió tonna ózon keletkezik, ugyanennyi bomlik el, elsősorban a napsütöttébb tropikus övben, de onnan szétáramlik a Föld teljes felszíne fölé. Koncentrációja 20 km magasság táján a legnagyobb. A légkör ózontartalma 3 milliomod rész, ez 1 atm nyomáson 3 mm vastag gázréteget alkotna. Az oxigén két vegyértékű. Az 03-molekula vegyértékszöge azonban nem 60°, hanem 117°. Az ózon üvegházhatást keltő molekula, amely ilyen szempontból 2000-szer „hatékonyabb”, mint a C02- molekula. Poláros szerkezete legegyszerűbben az 0 = N = F molekula analógiájára, datív kötéssel érthető meg: 0=0'- 0+. Pontosabb lesz azt mondani, hogy az egyes kötések kialakulása után visszamaradó- négy elektron a molekula teljes hosszára delokalizált - pályára kerül. A szélesen delokalizált elektronokat könynyebb gerjeszteni, mint az 02- és N2 molekula rövid molekulapályába zárt elektronjait. A sztratoszférikus ózon elnyeli az ionoszférán átjutó lágyabb (0,6 aJ energiájú) fotonokat, amik egyébként biológiailag káros hatást fejtenének ki. UV-A: 400-330 nm, nem káros, légkörön áthatol. UV-B: 330-280 nm, káros, ózonréteg elnyeli. UV-C: 280 nm alatt, erősen káros, ionoszféra elnyeli. Amikor az atmoszféra oxigéntartalma kialakult, amikor a sztratoszférában a Nap UVC sugárzásának hatására ózonréteg képződött, az elnyelte az ionoszféra által átengedett, de a komplex szerves molekulákat már károsító UV-B sugárzást. Ez tette lehetővé, hogy az élet egymilliárd évvel ezelőtt birtokba vehette a szárazföldeket. Az oxigénlégzés és a sztratoszférikus ózonpajzs egy dinamikusabb állati evolúció lehetőségét teremtette meg. Freon A General Motors könnyen kezelhető stabil gázt keresett hűtőszekrényeinek hűtőközegéül. Thomas Midley megbecsült föltaláló volt, hiszen 1926-ban már egy nagy találmányt adott át a cégnek: az ólmozott benzint. Midley 1928- ban egy bemutatóra hívta a General Motors szakértőit. Azon úgy demonstrálta a CF2C12 éghetetlenségét és ártalmatlanságát, hogy a gázt tüdejébe szívta, majd hirtelen kifújva kioltotta vele egy gyertya lángját. Az új vegyületet gyártó Du-Pont cég a freon márkanevet adta, ez az egészséget nem károsító, nyomás alatt cseppfolyósodó gáz terjedt el fridzsiderek és légkondicionálók munkaközegeként, spraydobozok fúvógázaként, műanyag habszivacsot felfüvó gázként. Ezt a molekulát és rokonait (CFC13, C2F3C1, CFjCIBr, CF3Br) a bennük lévő erősen poláros C-F, C-Cl, C-Br kötések nagyon stabillá teszik. A serpenyők teflonbevonatát is a szénlánc mentén kialakított C-F kötések teszik ellenállóvá. Ózonréteg az Antarktisz fölött 1970-ben James Lovelock eszközt fejlesztett ki a légköri freon mérésére. Az Atlantióceánon dél felé hajózva azt találta, hogy a déli féltekén a freon koncentrációja alig kisebb, mint az északi féltekén, ahol a freont gyártják, és ahol sprayflaskákból és kilyukadt hűtőszekrényekből a legtöbb freon illan a levegőbe. A tapasztalt globális troposzférikus elterjedtség természetesen a freon rendkívüli stabilitásával magyarázható. A freonnak nincs természetes forrása, csak mesterséges: a luxusipar. Nincs számottevő természetes nyelője sem, ezért légköri koncentrációja egyre növekszik. Rokon vegyületeivel együtt 1950-ben 0,8 milliárd, 1970-ben 1 milliárd, 1990-ben már 3 milliárd molekulakoncentrációt mértek, ez az érték jelenleg 5%-kal emelkedik évente. Mivel a freonkötések nagyon polárosak, egyetlen freonmolekula üvegház-hozzájárulása 15 000-szer nagyobb, mint egy C02-molekuláé. Ma talán az üvegházhatás 3%-a terhelendő a C-F-Cl vegyületek számlájára. 1974-ben Sherwood F. Rowland és Mario J. Molina riadót fújt. A CF2Cl2-molekula becsült atmoszférikus élettartama 50-100 esztendő. A Nature folyóiratba írt cikkükben figyelmeztettek: a freonnak bőven van ideje, hogy feldiffundáljon a sztratoszférába, hiszen ahhoz 10 esztendő elegendő. Ott a Nap ultraibolya sugárzása megbonthatja. A kiszabaduló Cl- és F-atomok viszont hatékonyan katalizálják az ózon lebontását: Cl+03 C10+02 CIO+O Cl+02. Egyetlen (freonból kiszabadult) Cl-atom egymás után akár 100000 03-molekula lebontását katalizálhatja! Rowland így emlékszik vissza a napra: Este elmondtam feleségemnek, hogy munkánkkal nagyon jól haladunk, de azt hiszem, hogy közeleg a világ vége.” A NASA 1975-ben valóban megtalálta a CIO-t a sztratoszférában. 1976-ban Coloradóban összeült az első ózonfreon tanácskozás. A NASA a freongyártás beszüntetésé mellett kardoskodott, az ipar azonban védte saját üzleti érdekeit. 1978-ban úttörőként Skandinávia megszüntette a freon gyártását és használatát. Az Egyesült Államok megtiltotta a freonsprayt. Kínában viszont megszületett a jelszó: fridzsidert minden családnak! Antarktisz Az angolok a Halley-öbölben lévő antarktiszi állomásukon 1950 óta mérik a légköri ózon mennyiségét. A mérőeszköz egy spektrofotométer, amelyet Dobson oxfordi professzor még az 1930-as években fejlesztett ki, a napfény abszorpciós spektrumából határozta meg a fejük fölött lévő ózon teljes mennyiségét. 1 Dobson-egység 1 atm nyomáson 0,01 mm vastag ózonrétegnek felelne meg. A földi légkör átlagos ózontartalma 300 Dobson-egység. 1984 koratavaszán, amikor a hosszú téli éjszaka után a Nap megjelent az égen, az angol sarki állomáson Joseph Farman azt észlelte, hogy feje fölött az ózonréteg 40%-kal vékonyabb a szokásosnál. Ezt az amerikaiak nem fogadták el, mert a Nimbus mesterséges holdjuk semmi rendkívülit nem jelzett. Miután több más antarktiszi állomás megerősítette az ózonréteg megdöbbentő elvékonyodását, májusban megjelent a közlemény. V A uviszi ózonlyuk A tavaszi ózonlyuk Ezután a NASA is bevallotta: a mesterséges hold adatait feldolgozó számítógép megkapta a szokatlan csökkenést jelző észleléseket, de a nagy eltérés miatt a program azokat hibás leolvasásnak minősítette, ezért nem hívta fel rájuk a kutatók figyelmét. Miért épp az Antarktisz fölött támadt az ózonlyuk? A rejtvényt 1986-ban S. Solomon fejtette meg. Bolygónk leghidegebb vidéke az Antarktisz. Fölötte a sztratoszférában telente parányi jégkristályok képződnek. A tavaszi napkeltét követően az ultraibolya sugárzás megbontja a CF2Cl2-molekulákat. A képződött Cl és CIO molekulák a jégtűk felületére tapadnak, és ez a felület (úgy is, mint impulzusátvevő) hatékonyan katalizálja az 03 lebontását 02- re. Amikor azután a fölfedezésről sajtótájékoztatót hirdettek meg, az összesereglő újságírók egyre kérdezték a 30 éves csinos „titkárnőt”: - Mikor jön már Solomon profeszszor, hogy beszámoljon a világ végéről? - Csak nehezen hitték el, hogy a fekete hajú leány maga Susan Solomon. Azóta minden tavasszal visszatér az ózonlyuk. Az 1970-es években megszokott érték felére csökken az ózonpajzs vastagsága a Déli Sarkvidéken, és mindinkább kiteljed a többi déli kontinens fölé. (Folytatás a 8. oldalon.)
