Fordeling & konsentrasjon (2)

Fordeling & konsentrasjon (2)

Hvis vi vil vite noe om konsentrasjonene av ustabile forbindelser i lufta, holder det ikke å vite et tall på et tilfeldig valgt tidspunkt. Konsentrasjonene avhenger i stor grad av de kjemiske forholdene i lufta.

Vertikal profil

Det er ikke bare den horisontale profilen som kan variere, avhengig av kilder for gassutslipp, gassopptak og forskjellige fysiske faktorer (antall timer solskinn, temperatur, nedbør, vind). De fleste gasser har også en vertikal profil, og viser ofte svakt synkende blandingsforhold etter hvert som høyden øker. Dette gjelder spesielt over tropopausen og i de første to kilometerne fra det planetariske grenselaget (påvirket av jordas overflate) til den frie troposfæren. Et unntak er ozon, som har det høyeste blandingsforholdet i ozonlaget i stratosfæren. Men mesteparten av kjemien finner sted i grenselaget nærmest bakken, hvor de kjemiske forbindelsene slippes ut.

modelled PBL concentrations

Blandingsforholdene til forskjellige forbindelser i løpet av natten ved bakkenivå. Disse forholdene har ikke blitt målt, men er resultatet av en modell som gjør det mulig å se på hvordan blandingsforhold endrer seg over tid.
Forfattere: Andreas Geyer, Shuihui Wang og Jochen Stutz.

I grafene nedenfor ser du vertikale troposfæriske profiler av forskjellige organiske og uorganiske sporgasser, målt fra et forskningsfly. Bortsett fra karbondioksid, ozon og metan, er typiske blandingsforhold et par hundre ppt eller et par ppb. Men de gassene du kan se her er bare de viktigste sporgassene. Det er hundrevis av andre organiske gasser som har lavere blandingsforhold på bare et par ppt.

vertical profile 1

Målte forbindelser:

CH4 = metan
CO = karbonmonoksid
CH3OH = metanol
CH3COCH3 = aceton
HCHO = formaldehyd

vertical profile 2

O3 = ozon
NO = nitrogenoksid
NOy = oksiderte nitrogenforbindelser utenom NO, NO2
PAN = peroksyacetylnitrat
CN = kondensasjonskjerner (partikler)

vertical profile 3

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

2. (a-c) Vertikale profiler av forskjellige organiske gasser og noen uorganiske gasser. Verdiene ble målt fra et forskningsfly over Middelhavet i august 2001. De tykke svarte linjene viser de midlere vertikale profilene; de tynnere svarte linjene viser standardavviket. De grå firkantene viser verdier fra oppsamling i blikkbokser. Røde stiplete linjer og røde firkanter er fra en annen flytur og gir en idé om hvordan verdiene varierer over et par dager.

Data og figurer fra J. Lelieveld m.fl.

Gasser i troposfæren

Å gi en oversikt over sporgassene i troposfæren og deres konsentrasjoner er nesten umulig. Den samme forbindelsen kan være tilstede i ekstremt lave konsentrasjoner for eksempel over havet og i svært høye konsentrasjoner i et urbant område. I tillegg kan flere dusin gasser anses som viktige. Derfor er tabellen under bare en liste med eksempler, som gir et inntrykk av blandingsforholdene (vanligvis målt ved bakken) til noen ofte målte forbindelser.

Viktige gasser i atmosfæren:

navn

formel

blandingsforhold

nitrogen
N2
78.08 %
oksygen
O2
20.95 %
argon
Ar
0.93 %
vanndamp
H2O
0.1 - 4 %
= 1,000 - 40,000 ppm
karbondioksid
CO2
372 ppm*
karbonmonoksid
CO
50 - 200 ppb
metan
CH4
1.7-1.8 ppm*
hydrogen
H2
0.5 ppm
(480 - 540 ppb)
ozon
O3
10 -100 ppb
troposfærisk. gj.snitt: 34* ppb
hydroksyl radikal
OH
< 0.01 - 1 ppt
nitrogendioksid
NO2
1 - 10 ppb
nitrogenoksid
NO
0.1 - 2 ppb
lystgass
N2O
320 ppb*
nitratradikal
NO3
5 - 450 ppt
salpetersyre
HNO3
0.1-50 ppb
ammoniakk
NH3
< 0.02 - 100 ppb
svoveldioksid
SO2
1 ppb (bakgrunn)
1 ppm (forurenset luft)
formaldehyd
HCHO
0.5 - 75 ppb
maursyre
HCOOH
< 20 ppb
aceton
CH3COCH3
0.1 - 5 ppb
isopren
C5H8
< 1 - 50 ppb
monoterpener
-
< 100 ppt
KFK11
CCl3F
258*
KFK12
CCl2F2
546*

*gasser som har økende konsentrasjon på grunn av menneskelig aktivitet, og som er relativt jevnt fordelt over jorda. Data fra 2001-2003.

Blandingsforhold, konsentrasjoner og forskjellige måleenheter

Mengden av forskjellige gasser oppgis ofte i forskjellige måleenheter:

Konsentrasjoner: molekyler/cm3 eller µg/m3
Eller blandingsforhold: ppt (pmol/mol), ppb (nmol/mol), ppm (µmol/mol), % (10 mmol/mol)

Blandingsforhold er ofte mer nyttige enn konsentrasjoner for forskere, fordi lufta utvider seg når den stiger. Dermed vokser volumet og konsentrasjonene endrer seg. Blandingsforholdet derimot (forholdet mellom gassene) forblir det samme.
Omregning fra den ene enheten til den andre avhenger av trykket ( = høyden) og molekylenes vekt. Hvis vi gjør omregningen for jordas overflate med normalt trykk på omlag 1 bar, kan vi uttrykke de totale molekylene per volum luft på følgende måte:

1 mol = 22.4 L = 6x1023 molekyler =>
1 cm3 = 2.7x1019 molekyler
1 dm3 = 1 L = 2.7x1022 molekyler
1 m3 = 2.7x1025 molekyler

Eksempel for et grovt overslag:

2 µg/m3 = 2x10-6 g/m3 NO2 er en typisk verdi for nitrogendioksid i et ikke-urbant område.
Molekylærvekten for NO2 = 46 g/mol
Det vil si at: 2x10-6 g/m3 = 4.3x10-8 mol/m3 = 2.6x1016 molekyler/m3

Blandingsforholdet er derfor omlag 2.7x1016 / 2.7x1025 = 10-9 = 1 ppb

Fordi ozon har en liknende molekylærvekt, 48 g/mol, kan vi også si at grovt regnet er; 2 µg/m3 ozon = 1 ppb. Denne utregningen gjelder bare ved jordas overflate.

Under tilfeller av ozonsmog i urbane områder kan vi nå regne ut:
120 µg/m3 = 60 ppb -> høye nivåer
240 µg/m3 = 120 ppb -> svært høye nivåer, ingen idrett, farlig for helsen
360 µg/m3 = 180 ppb -> ekstremt høye nivåer, svært skadelig for lungene, bli hjemme!

Relaterte sider

Mer om konsentrasjoner og blandingsforhold:
Øvre atmosfære – Innføring – En introduksjon til troposfæren – Sammensetning

Om denne siden:
forfatter: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry Mainz
vitenskapelig kvalitetssikring: Dr. Rolf Sander - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz - 2004-05-18
Oversatt og bearbeidet av Nicolai Steineger og Erik Steineger
sist oppdatert: 2004-04-06

Last modified: Wednesday, 27 May 2020, 2:51 PM