Anja Røyne

Fysiker


Legg igjen en kommentar

Bakterier, ozonlaget og livet på landjorda

Før jorda ble full av liv, var jordoverflaten et ulevelig sted.

Sola sender nemlig ikke bare fra seg lys og varme. Den mest energirike strålingen som kommer fra sola, den som kalles UV-stråling, kan gjøre stor skade på biologisk vev. Om det ikke finnes noe i lufta som stopper denne strålingen, er livet forvist til å leve under vann, som strålingen ikke klarer å trenge gjennom, og dette var situasjonen for det første livet på jorda.

Desember. Ingen fare for å få for mye av hverken UV-stråling eller annet sollys. Eget bilde.

Fotosyntese og ozonlag

Situasjonen endret seg gradvis etter at encellede organismer i havet begynte å fange solenergi i prosessen som kalles fotosyntese. Som et biprodukt ble det produsert oksygengass, som i løpet av de neste millionene av år strømmet ut i havet og atmosfæren.

Oksygengass består av to oksygenatomer som henger sammen. Høyt oppe i stratosfæren kan energirikt UV-lys rive fra hverandre disse molekylene, og så kan enslige oksygenatomer slå seg sammen med oksygenmolekyler og danne molekyler som består av tre oksygenatomer til en gass som kalles ozon.

Ozon har en sterk evne til å filtrere vekk UV-lys som er på vei ned til jorda, og slik gjorde fotosyntesen at UV-strålingen som traff jordoverflaten med tiden ble lav nok til at livet kunne flytte opp på land.

Bakterier som bryter ned ozonlaget

Om det ikke hadde eksistert noen prosesser som omdannet ozon tilbake til oksygen igjen, så ville stadig mer oksygen blitt omdannet til ozon, mengden med ozon ville ha fortsatt å øke, og det ville blitt stadig mindre UV-stråling til jordoverflaten. Men slik er det ikke. Det finnes prosesser som bryter ned ozon, og de innebærer ulike former for katalyse: molekyler som hjelper til med å rive fra hverandre ozonmolekylene. Blant slike stoffer finner vi de menneskeskapte KFK-gassene, som har vært vanlige i kjøleskap. Bruken av disse ble trappet ned over hele verden som følge av internasjonale avtaler for å redde ozonlaget fra slutten av 1970-tallet.

I naturen er nitrogenoksider, molekyler som består av nitrogen og oksygen, de mest effektive katalysatorene for å bryte ned ozon. Jo mer nitrogenoksider i stratosfæren, desto fortere rives ozonmolekylene i stykker, og desto tynnere blir ozonlaget. Nitrogenoksider produseres både i lynnedslag og i naturlige og industrielle forbrenningsprosesser, men siden de har så lett med å reagere med andre gasser, blir de vanligvis brutt ned før de når opp i stratosfæren. Unntaket er lystgass, molekyler som består av to nitrogenatomer og ett oksygenatom. Lystgass er en kraftig drivhusgass, og den har lang levetid i atmosfæren. Derfor er det lystgass som er den største naturlige kilden til ozonnedbrytning i statosfæren og som dermed kontrollerer tykkelsen på ozonlaget.

Bakterier, og nå også planter, produserer oksygen som gir oss ozonlaget og dets beskyttelse. Men det er også bakterier som produserer lystgass. Det skjer når nitrogenholdig organisk materiale, eller kunstgjødsel, brukes av bakterier i jord og vann til deres livsprosesser. Ofte blir lystgassen brutt ned av andre bakterier før den når ut i atmosfæren, men noen ganger gjør den det ikke. Dårlig drenering og mye bruk av nitrogengjødsel er forhold som kan gi ekstra store utslipp av lystgass fra jordbruket, og lystgassen er et av de mest betydelige bidragene til klimaendringene fra verdens jordbruk.

Nitrogengruppa ved NMBU på Ås har utviklet denne lystgassroboten som kan måle hvor mye lystgass som strømmer ut av jorda. Hensikten er å få bedre kontroll på lystgassutslipp fra jordbruket. Foto: Kari Margrethe Sabro

Jo mer lystgass, desto svakere ozonlag. Det er dårlig nytt for livet på jordoverflaten, som blir truffet av mer UV-stråling, men ikke bare dårlig. Helseeffektene fra UV-stråling er knyttet til endringer i genmaterialet når cellene våre deler seg. Og bakterier tilpasser seg omgivelsene sine ved å utnytte at slike tilfeldige endringer, forårsaket av UV-stråling eller andre forhold i miljøet, noen ganger fører til bedre egenskaper.

Dette er bare noen blant utallige eksempler på hvordan livet selv former betingelsene for liv på planeten. Det er ikke bare vi mennesker som endrer på miljøet og klimaet, men i motsetning til bakteriene, har vi både kunnskap og evner til å forstå hvilke endringer vi forårsaker, og til å endre oppførselen vår for å forsøke å få et bedre resultat for oss selv, våre etterkommere og alt annet liv på jorda.


Legg igjen en kommentar

Birkeland – fysikeren som laget kunstgjødsel for å studere nordlys

Vi trenger mer penger til grunnforskning!

Alle forskere, alltid.

Grunnforskningen, den nysgjerrighetsdrevne forskningen som egentlig ikke har annet formål enn å la oss forstå enda litt mer om hvordan verden henger sammen, er selve gullet ved universitetene. Samtidig kan den være lett å nedprioritere når de som bevilger penger trenger å vise fram håndfast samfunnsnytte fra forskningsprosjektene. Nytten av grunnleggende kunnskap kan være vanskelig å måle i arbeidsplasser og eksportinntekter, selv om det finnes plenty av eksempler på at tilsynelatende meningsløs forskning har fått viktige konsekvenser for samfunnet mange år senere.

På jakt etter en oppfinnelse

Professor Birkeland på bakgrunnen av Universitetet, Oslo. Foto tatt med skjult knapphulls-kamera av Fredrik Carl Mülertz Størmer (senere professor i matematikk ved UiO) på 1890-tallet. Norsk Folkemuseum.

Kristian Birkeland ble født 13. desember 1867 i det som da het Christiania. Bare 31 år gammel ble han i 1898 ansatt som professor ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo. I dag holder vi til i en egen bygning på Blindern, men den gangen holdt fysikerne hus i kjelleren i den midterste av universitetsbygningene som i dag ligger ved Nationaltheateret stasjon.

Birkelands hovedområde var elektromagnetisme, og det han aller helst ville forske på var nordlys. Det var imidlertid heller ikke den gangen enkelt å få tak i penger til å drive kostbar forskning uten umiddelbar nytte for industrien. Da Birkeland på en internasjonal konferanse klaget sin nød til en av fysikkens store skikkelser, Lord Kelvin, ble han rådet til å komme opp med en oppfinnelse han kunne selge. Så kunne han bruke pengene fra oppfinnelsen til forskningen sin.

Birkeland prøvde seg på flere oppfinnelser, og det som virket mest lovende var utviklingen av en elektromagnetisk kanon, der prosjektilet skulle akselereres ut av kanonløpet ikke ved hjelp av eksploderende krutt, men ved magnetiske krefter skapt av strømspoler rundt røret. Han kom langt nok til at han kunne holde flere demonstrasjoner der han skøyt kanonkuler inn i treplater foran store publikum, men hadde problemer med å få skikkelig kontroll på strømkretsene. Noen ganger endte eksperimentene i store kortslutninger, som menneskeskapte lyn gjennom lufta.

Fra kanon til kunstgjødsel

Det var ikke kanonen som skulle gjøre Birkeland rik, men kortslutningene. I februar 1903 var Birkeland i en middag sammen med gründeren Sam Eyde, som satt på rettighetene til kraften fra flere av de store norske fossene. På den tiden fantes det ikke teknologi for å frakte strøm over store avstander gjennom høyspentledninger, slik vi gjør det i dag, så for å tjene penger på fossekraft måtte det bygges industri der fossen lå.

Birkeland Eyde ovn / lysbueovn med sikkerhetsadvarsel på skilt; «Under drift må ledninger ikke berøres. Livsfarlig». Fotograf ukjent 12.12.1917. Norsk Industriarbeidermuseum, CC lisens.

Eyde var på utkikk etter kraftkrevende industri, og trengte et stort lyn. På denne tiden pågikk det nemlig et kappløp for å utvikle industriell nitrogenfiksering – metoder for å splitte nitrogenmolekylene i lufta, som utgjør mesteparten av lufta rundt oss, og omdanne dem til kjemiske stoffer der nitrogen er kombinert med enten oksygen eller hydrogen og dermed kan brukes både som gjødsel og til å lage sprengstoff.

Når lynet slår ned i naturen, kombineres nitrogen med oksygen og blir tilgjengelig som gjødsel for planter. Birkeland, med sin kunnskap om elektromagnetisme, kunne bidra til å utvikle metoden for å lage gjødsel av luft på stor skala. Eyde hadde tilgang på penger og fossekraft.

Bare åtte år senere ble den første lasten av kunstgjødsel levert fra Norsk Hydros anlegg på Rjukan, som hadde gått fra å være et øde dalføre til å bli en industriby med jernbane, to kraftverk, skoler og fotballbaner. Og Birkeland fikk en innbringende avtale med Hydro som sikret ham midlene han trengte for å utforske nordlyset videre.

Kunstgjødsel til nordlysforskning – og videre til romværvarsling

Birkelands teori om at nordlyset skyldes ladde partikler fra sola som vekselvirker med jordas magnetfelt, og skaper lys når de treffer gassene i den øverste delen av atmosfæren, var omstridt på hans tid.Etter utviklingen av lysbuemetoden for å produsere kunstgjødsel fortsatte Birkeland sine ekspedisjoner og eksperimenter for å studere nordlyset og andre atmosfæriske fenomener. I dag har teoriene hans blitt etablert vitenskap, men nå er ikke lenger nordlys bare et fascinerende fenomen på himmelen. I dagens høyteknologiske samfunn har forståelsen av hva som sendes ut fra sola, og mulighetene til å varsle det, faktisk blitt svært viktig fordi solaktiviteten kan påvirke både satelitter og romfartøyer og elektroniske installasjoner her nede på jorda.

Grunnforskningen, altså. Det er noe å ta vare på.

Kristian Birkeland på 200-kroners seddelen som var i bruk fra 1994 til 2020. Nordlyset vises i bakgrunnen, og til venstre ser man en strektegning av terellaen, Birkelands eksperimentelle oppsett for å lage nordlys på laboratoriet. (eget foto av utgått seddel)

Videre lesning

Om du vil lese mer om Birkeland kan jeg anbefale to fine bøker: den korte Historien om Kristian Birkeland, Nordlysets far av Pål Brekke, og den litt lengre Kristian Birkeland – Naturvitenskapsmann og industriforsker av Alf Egeland. Jeg har også fått anbefalt boka Nordlysets gåte – beretningen om Kristian Birkeland av Lucy Jago, men har ikke fått lest den selv ennå. Historien om Birkeland er sentral i min egen Livet, døden, krig og korn. Historier om nitrogen.


Legg igjen en kommentar

Hvordan man får vekk nitrogen fra kloakken

Oslofjorden er i krise! Kanskje har den vært det en god stund, men nå har Oslofjordens økologiske tilstand fått mye oppmerksomhet fra både medier og politikere. Artsmangfoldet går nedover, det er mer av den slimaktige lurven og mindre frodig tareskog, og nå er det ikke en gang lov å fiske i Oslofjordden lenger.

Årsakene til krisen er mangfoldige og sammensatte, slik det så ofte er med økosystemer. Både klimaendringer, miljøgifter og overfiske kan være viktige faktorer.

Problemer fra do

Ikke alt som havner i kloakken hører til der. Fra Veas. Foto: Kari Margrethe Sabro.

En annen forurensing som har fått mye oppmerksomhet i det siste er nitrogen. Nitrogen i seg selv er ikke farlig, tross alt utgjør nitrogengass mesteparten av lufta vi puster inn og ut. Problemet er når nitrogenet er kjemisk koblet sammen med oksygen eller hydrogen slik at det er lett for planter og alger å nyttegjøre seg det. Når det er mye av dette nitrogenet i vannet i fjorden, fungerer det som gjødsel for de algene som er flinke til å vokse veldig fort, sånn som de trådalgene vi kaller lurv. Da kan lurven begynne å dominere over mer nøysomme arter av tang og tare. Og når høsten kommer, og de hurtigvoksende algene dør og synker til bunns, blir de mat for bakterier som kan bruke så mye oksygen til å bryte dem ned at det ikke blir nok oksygen igjen i bunnvannet til fisk og andre organismer som hører til der nede.

Kloakken vår er en viktig kilde til dette problematiske nitrogenet, for kroppen vår kvitter seg med nitrogen hver gang vi er på do. Heldigvis slippes det vanligvis ikke urenset kloakk ut i Oslofjorden. Den tar en tur innom et renseanlegg først. Men ofte er ikke renseanlegget nok til å fjerne nitrogenet, for det krever faktisk ganske mye innsats for å få det vekk.

Hjelpsomme bakterier

Det problematiske nitrogenet er løst opp i vann, slik salt er løst opp i saltvann. Det kan man ikke fjerne med en sil eller andre mekaniske metoder. Den beste metoden som er tilgjengelig for å fjerne nitrogen er å få hjelp fra bakterier, og det skjer i to steg.

I det første steget brukes det kraftige vifter til å blåse massevis av luft inn i vannet. Det gir oksygen til bakterier som er i stand til å bruke ammonium, altså nitrogen som er koblet sammen med hydrogen, som energikilde. Disse bakteriene kan skaffe seg energi ved å forbrenne ammonium omtrent som vi får energi av å forbrenne sukker inne i cellene våre, så lenge de har nok oksygen tilgjengelig.

Dette gjør imidlertid ikke at nitrogenet blir borte eller at det blir mindre problematisk, det omdanner bare en form for nitrogen, ammonium, til en annen form, nitrat. I nitrat henger nitrogenet sammen med oksygen.

Nitrogenbobler stiger opp mot overflaten og unngår å skape problemer i Oslofjorden. Fra renseanlegget Veas på Slemmestad. Foto: Kari Margrethe Sabro.

Nitrat kan ikke forbrennes for å få tak i energi, men det kan være nyttig for en annen type bakterier, noen som har lært seg å leve uten oksygen. Derfor tilføres vannet i neste rensesteg en form for energikilde som er populær blant slike bakterier, for eksempel glykol, og så får det ligge helt i ro. I det stille vannet blir oksygenet raskt brukt opp, og da er det bare de bakteriene som klarer å lirke løs oksygen fra nitrat for å kunne forbrenne glykol, som klarer å leve videre.

I denne prosessen ender nitrogenet opp uten hverken oksygen eller hydrogen, og kan forlate vannet i par: molekyler som består av to nitrogenatomer tett bundet sammen, den samme nitrogengassen som mesteparten av lufta rundt oss består av. Da har det problematiske nitrogenet blitt fjernet fra vannet, som så kan sendes ut i Oslofjorden uten å bidra til mer lurv og mindre artsmangfold.

Tenk at naturen kan hjelpe oss på denne måten!

Bedre løsninger?

Riktignok gjør ikke bakteriene dette for oss helt av seg selv. Det krever mye energi å drive pumpene som blander luft inn i vannet. Faktisk er mengden med elektrisk energi som går med til denne rensingen på størrelse med energien som trengs for å rive fra hverandre nitrogenmolekyler fra lufta og lage nitrogengjødsel – nitrogen på den samme formen som det som fjernes i renseprosessen.

Om bare nitrogenet fra kloakken kunne ha blitt levert direkte ut på jordene for å dyrke mat, så kunne samfunnet ha spart seg for en god del energi. Her er vi ikke i dag, og det har mange årsaker. En ting er at det finnes sykdomsfremkallende bakterier og virus i kloakken som vi ikke ønsker å ha i nærheten av matproduksjonen vår. Dette kan håndteres, men i tillegg kommer legemidler og miljøgifter som fra produkter som vi har i husene og på kroppene våre som kan være vanskelige å bli kvitt. I tillegg er fabrikkprodusert nitrogengjødsel så billig og enkelt tilgjengelig at det er vanskelig å produsere noe fra kloakk som kan konkurrere på både kvalitet og pris. Fremtiden vil vise hvordan dette kan ordnes på en mindre sløsete måte enn i dag.

Vil du lese mer?

Boka Fra nattmann til renholdsverk. Avfall og reno­vasjon i Oslo gjennom tusen år av Inge Torstenson (1997) gir en fascinerende og engasjerende, detaljert fremstilling av hvordan Oslo by har håndtert sitt avfall (inkludert kloakk) gjennom tusen år. Anbefales på det varmeste.

I et internasjonalt perspektiv gir boka med den fantastiske tittelen The other dark matter. The science and busi­ness of turning waste into wealth and health av Lina Zeldovich (2021) massevis av gode og utrolige eksempler på hvordan folk har løst kloakkproblemene både før og nå.

Og så er både kloakk og gjødsel og Oslofjorden sentrale tema i min egen bok om nitrogen (2025).