Występowanie i zawartość gazów atmosferycznych (2)

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
Dział: Troposfera. Poziom zaawansowany.
dział TROPOSFERA: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)

Gdy chcemy znać stężenia mniej trwałych związków chemicznych w atmosferze, nie wystarczy tylko podać jakąś cyfrę. Stężenia zależą bowiem w dużym stopniu od procesów chemicznych zachodzących w powietrzu.

Profil pionowy

Zawartość gazów w powietrzu może być zróżnicowana w strefowo (w poziomie) w zależności od źródła ich pochodzenia, procesów pochłaniania i różnych parametrów fizycznych (dopływu światła słonecznego, temperatury, opadów, wiatru). Ale większość gazów wykazuje też różnice w zawartości w pionie. Często stosunek zmieszania maleje wraz ze wzrostem wysokości n.p.m., zwłaszcza nad tropopauzą i w warstwie dwóch kilometrów powyżej planetarnej warstwy granicznej (na którą bezpośrednio wpływa powierzchnia Ziemi), do wolnej troposfery. Wyjątkiem jest ozon, który ma najwyższy stosunek zmieszania i najwyższe stężenie w warstwie ozonowej w stratosferze. Ale nie musimy zaglądać aż tak wysoko. Większość procesów chemicznych ma miejsce w warstwie granicznej blisko powierzchni ziemi, gdzie emitowane są związki chemiczne.

1. Zmiany stosunku zmieszania różnych związków chemicznych w ciągu nocy, blisko powierzchni ziemi. Wartości nie pochodzą z pomiarów, lecz są wynikiem zastosowania modelu chemicznego. Umożliwia on przy okazji wzięcie pod uwagę zmian w czasie, które są pokazane za pomocą różnych kolorów.
Autorzy: Andreas Geyer, Shuihui Wang i Jochen Stutz
Objaśnienia: altitude - wys. nad poziomem gruntu, after 1 h - po 1 godz., after 2 h - po 2 godz., itd.

Na wykresach poniżej można zobaczyć pionowe profile troposferyczne kilku organicznych i nieorganicznych gazów śladowych zmierzone przez samolot badawczy. Oprócz dwutlenku węgla, ozonu i metanu, typowe wielkości stosunku zmieszania to kilkaset ppt albo kilka ppb. Ale gazy widoczne tutaj należą do ważniejszych gazów śladowych, podczas gdy w atmosferze występują setki innych gazów organicznych, które mają niższy stosunek zmieszania, rzędu tylko kilku ppt.

Zmierzone związki chemiczne:

CH4 = metan
CO = tlenek węgla
CH3OH = alkohol metylowy
CH3COCH3 = aceton
HCHO = formaldehyd

O3 = ozon
NO = tlenek azotu
NOy = utlenione związki azotu bez NO, NO2
PAN = azotan nadtlenku acetylu
CN = jądra skroplenia (cząstki)

C2H6 = etan
C2H2 = acetylen = etyn
C3H8 = propan
C6H6 = benzen
CH3Cl = metylochloroform

2. a- c) Pionowe profile zawartości różnych organicznych i kilku nieorganicznych gazów w powietrzu.
Wartości zostały zmierzone przez samolot badawczy nad Morzem Śródziemnym podczas akcji MINOS w sierpniu 2001. Grube czarne linie pokazują średnie wartości pionowych profili, cienkie czarne linie pokazują odchylenie standardowe. Szare kwadraty pokazują wartości wzięte z próbek z kanistrów. Czerwone linie kreskowe i czerwone kwadraty pochodzą z innego lotu i pozwalają nam zrozumieć, jak te wartości mogą zmienić się w ciągu kilku dni.
Dane i ilustracja: J. Lelieveld i współautorzy

Gazy w troposferze

Pełny przegląd gazów śladowych i ich stężeń w troposferze jest w zasadzie niemożliwy. Ten sam związek może występować w niezmiernie niskim stężeniu na przykład nad oceanem, i w bardzo wysokim stężeniu w środowisku miejskim. Poza tym, kilkadziesiąt gazów posiada duże znaczenie. Dlatego poniższa tabelka jest tylko zestawieniem przykładów i podaje najczęściej spotykany zakres stosunku zmieszania (zwykle blisko ziemi), dla często mierzonych związków.

Główne gazy w atmosferze:

nazwa

wzór

stosunek zmieszania

azot
N2
78,08 %
tlen
O2
20,95 %
argon
Ar
0,93 %
para wodna
H2O
0,1 - 4 %
= 1 000 - 40 000 ppm
dwutlenek węgla
CO2
372 ppm*
tlenek węgla
CO
50 - 200 ppb
metan
CH4
1,7-1,8 ppm*
wodór
H2
0,5 ppm
(480 - 540 ppb)
ozon
O3
10 -100 ppb
średnia troposferyczna: 34* ppb
rodnik hydroksylowy
OH
< 0,01 - 1 ppt
dwutlenek azotu
NO2
1 - 10 ppb
tlenek azotu
NO
0,1 - 2 ppb
podtlenek azotu
N2O
320 ppb*
rodnik azotanowy
NO3
5 - 450 ppt
kwas azotowy
HNO3
0,1-50 ppb
amoniak
NH3
< 0,02 - 100 ppb
dwutlenek siarki
SO2
1 ppb (w otoczeniu)
1 ppm (zanieczyszczone powietrze)
formaldehyd
HCHO
0,5 - 75 ppb
kwas mrówkowy
HCOOH
< 20 ppb
aceton
CH3COCH3
0,1 - 5 ppb
izopren
C5H8
< 1 - 50 ppb
monoterpeny
-
< 100 ppt
CFC11
CCl3F
258*
CFC12
CCl2F2
546*

* Gazy stosunkowo równomiernie występujące na kuli ziemskiej, których stężenia rosną w wyniku działalności człowieka. Dane z lat 2001-2003.

Stosunek zmieszania, stężenia i różne jednostki:

Ilości gazów często są podawane w różnych jednostkach:

dla stężeń: cząsteczki/cm3 albo µg/m3
dla stosunku zmieszania: ppt (pmol/mol), ppb (nmol/mol), ppm (µmol/mol), % (10 mmol/mol)

Stosunek zmieszania jest często bardziej pomocny dla naukowca, ponieważ, gdy powietrze unosi się i rozszerza, to jego objętość rośnie i zmienia się wtedy stężenie, ale stosunek zmieszania pozostaje taki sam.
Konwersja jednej jednostki na inną zależy od ciśnienia (= wysokość) i ciężaru cząsteczkowego. Jeśli robimy obliczenie dla powierzchni Ziemi przy normalnym ciśnieniu około 1 bara, możemy wyrazić całkowitą ilość cząsteczek na objętość powietrza w następujący sposób:

1 mol = 22,4 l = 6 x 1023 cząsteczek =>
1 cm3 = 2,7 x 1019 cząsteczek
1 dm3 = 1 l = 2,7 x 1022 cząsteczek
1 m3 = 2,7 x 1025 cząsteczek

Przykład obliczenia:

2 µg/m3 = 2x10-6 g/m3 NO2 jest typową wartością dla dwutlenku azotu na obszarze pozamiejskim.
ciężar cząsteczkowy M(NO2) = 46 g/mol
To oznacza: 2 x 10-6 g/m3 = 4,3 x 10-8 mol/m3 = 2,6 x 1016 cząstek/m3

Tak więc stosunek zmieszania wynosi około 2,7 x 1016 / 2,7 x 1025 = 10-9 = 1 ppb

Ponieważ ozon ma podobny ciężar cząsteczkowy, M(O3) = 48 g/mol, możemy z grubsza powiedzieć, że
2 µg/m3 ozonu = 1 ppb
To obliczenie jest właściwe tylko dla powierzchni Ziemi, gdzie żyjemy. Tak więc, aby zmierzyć dla przypadków smogu ozonowego na obszarach miejskich możemy teraz obliczyć:
120 µg/m3 = 60 ppb -> wysoki poziom
240 µg/m3 = 120 ppb -> bardzo wysoki poziom, wykluczone sporty, ryzyko dla zdrowia
360 µg/m3 = 180 ppb -> niezmiernie wysoki poziom, bardzo niebezpieczny dla układu oddechowego, należy pozostać w domu!

Zajrzyj także na te strony!

Więcej objaśnień na temat stężeń i stosunku zmieszania można znaleźć w:
Stratosfera - poziom podstawowy - Część 1 - Skład chemiczny powietrza stratosferycznego

O tej stronie:

Autor: dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: dr Rolf Sander - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy - 2004-05-18
Ostatnia aktualizacja: 2004-04-06
Tłumaczenie na język polski: mgr Jerzy Bojan, Zespół Szkół, Proszowice; dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Ostatnia modyfikacja: czwartek, 21 czerwiec 2018, 14:59