Ökensanden renar luften

För en gasmolekyl är jordens yta tusentals gånger större än den formella landarean på cirka 152 miljoner kvadratkilometer. Det kan vi ana om vi förstorar ett litet sandkorn. Det är där vid ytan på kvartssand och andra naturmaterial som många kemiska reaktioner försiggår. Länge trodde forskarna att gasreaktioner bara kunde äga rum vid höga temperaturer och främst med hjälp av katalysatorer, ämnen som underlättar reaktionen.

Vi har lyckats visa att reaktionerna även sker vid rumstemperatur och att ytor på naturmaterial är mycket mer aktiva än man tidigare trott. Detta kan delvis förklaras med att dessa ytor oftast är ojämna och defekta, eftersom de blir skadade av väder och vind, vilket gynnar de katalytiska reaktionerna på ytan.

Bra katalysatormaterial är sällsynta i naturen, men deras svaga katalysverkan kompenseras av naturmaterialens enorma kontaktyta mot vår atmosfär. Det innebär att många gaser kan försvinna från luften när de reagerar kemiskt på naturmaterial som finns på jordytan.

Vår atmosfär består i huvudsak av kväve, syre, vattenånga och argon. Så har det dock inte alltid varit. Innan fotosyntesen kom i gång för cirka tre miljarder år sedan fanns det inget syre i atmosfären. Enligt nya rön bestod luften då i huvudsak av kväve, koldioxid, vätgas och metan. Vartefter världshavens cyanobakterier, kanske mer kända som blågröna alger, producerade syre ökade syrgashalten i atmosfären under de efterföljande årmiljonerna.

Numera har vi balans mellan syreproduktion och syrekonsumtion, vilket resulterat i en stadig halt på drygt 20 procent syrgas i luften. Syret försvinner ur luften i huvudsak genom olika typer av biologiska och kemiska förbränningsprocesser som förbrukar syret – allt från människans och djurens andning till eldning av såväl biobränsle som fossila bränslen.

Även halten av många föroreningar och andra spårämnen i vår atmosfär, som kväveoxider, metan och vätgas, bestäms av deras produktion och förbrukning. För att kunna förstå hur människans aktivitet påverkar dessa halter måste vi veta vad som styr balansen.

Ett aktuellt exempel är metan som finns infryst i stora mängder i tundra och torvmossar. Metan är en växthusgas som anses vara över tjugo gånger mer verkningsfull än koldioxid. Dess andel i luften antas öka kraftigt i framtiden – med den globala uppvärmningen släpper tjälen sitt grepp om tundran och mer metan kommer att sippra ut. Detta förstärker i sin tur den globala uppvärmningen, vilket får tundra och torvmossar att tina upp och släppa ut ännu mer metan.

Här visar vår forskning att det kanske inte behöver gå riktigt så illa i framtiden som atmosfärsmodellerna förutspår. De kemiska reaktionerna på jordens yta omvandlar nämligen en del av metanet till de betydligt mildare växthusgaserna koldioxid och vatten. Ju högre metanhalt, desto mer katalysomvandling blir det.

I laboratorium sker nedbrytningen av olika gasföroreningar på sand under några dagar eller veckor redan vid rumstemperatur. Att de gasreaktioner som vanligtvis kräver högre temperatur även sker vid rumstemperatur och på naturmaterial är egentligen inte särskilt konstigt. Visserligen avtar reaktionerna ju lägre temperaturen blir, men de upphör aldrig helt. De pågår dock mycket långsamt. Men redan vid 80 grader Celsius blir nedbrytningen ganska effektiv på kvartssand. Detta betyder att jordens öknar är verkningsfulla reningskatalysatorer för många föroreningsgaser i vår atmosfär, eftersom ytsanden blir het under dagen.

En annan föroreningsgas i atmosfären är vätgas. Fortfarande har atmosfärsforskarna inte helt förstått vart vätgasen tar vägen. Man har observerat att vätet förbrukas på jordens yta eller nere i jordlagren och har antagit att detta måste ske med hjälp av enzymer och bakterier. Problemet är att dessa typer av väteförbrukning endast har påvisats på ett fåtal platser på jorden och under specifika förutsättningar.

Vi har nu lyckats visa att det är ytkatalysreaktioner som ligger bakom den absolut största åtgången av vätgas ur atmosfären. På sandkorn och jord reagerar nämligen väte med syre så att vatten bildas. Detta sker snabbt och effektivt på de flesta material helt utan enzymer eller bakterier.

En annan av luftens gaser, kväve, antas för det mesta inte reagera med något annat i atmosfären. Nu har vår forskning visat att när kvävemolekylerna kommer i kontakt med kvartssand kan även de dela på sig och bilda nya molekyler. Det leder till att andra kväveföreningar bildas, som oxider och nitrater. På så sätt blir till exempel halten av nitratbildaren HNO3 inte försumbar, vilket kan ligga bakom de oväntat stora mängderna av kväveföreningar i naturen som enkelt kan tas upp av de gröna växterna.

Detta skulle kunna förklara hur skogarna kan växa så fort som de faktiskt gör, vilket annars är en gåta, eftersom tillväxten borde begränsas av tillförseln av biotillgängligt kväve. Även på platser där det finns få människor, som Arktis och Antarktis, har forskarna observerat oförklarligt höga nitrathalter.

Dessa iakttagelser kan åtminstone delvis förklaras med att nitrater, som är nödvändiga för många biologiska processer, bildas genom ytkatalys överallt på jordens yta, troligen även på iskristaller. Detta kan betyda att även om vi minskar våra kväveutsläpp i exempelvis Östersjön, kanske det inte får så stor effekt på övergödningen och algblomningen eftersom kväveföreningar bildas ändå. Det bör således vara effektivare att minska på andra livsnödvändiga gödningsämnen som inte kan bildas spontant i naturen, då i första hand fosfor.

En intressant spekulation som bygger på våra nya rön är att ytkatalysen skulle kunna ha underlättat livets uppkomst på jorden. För att bilda tillräckligt många av livets byggstenar – de kväverika aminosyrorna – måste det ha funnits mycket biotillgängligt kväve, alltså inte bara reaktionströg kvävgas utan mer reaktiva kväveföreningar, som ammoniak. Man tror dock att ammoniakhalten var låg i jordens tidiga atmosfär och att den huvudsakliga källan var ammoniakutsläpp från jordens inre som tog sig upp till ytan vid vulkanutbrott.

Vi tror att ammoniak även kan ha bildats av väte och kväve från vår ursprungsatmosfär just i kemiska reaktioner vid jordytan, ytkatalys. Om så skedde i tillräcklig hög grad så skulle ammoniak, som är lättlösligt i vatten, ha funnits i betydande mängder i allt vatten på jorden. Detta skulle i sin tur ha bidragit till en mer effektiv anrikning av aminosyror. Om så var fallet har världshaven haft en mycket mer gynnsam sammansättning för att liv kunnat uppstå spontant här på jorden än man hittills har trott.