Presentation laddar. Vänta.

Presentation laddar. Vänta.

Meteorologi: Den allmänna cirkulationen Kemisk meteorologi: Fotokemi.

Liknande presentationer


En presentation över ämnet: "Meteorologi: Den allmänna cirkulationen Kemisk meteorologi: Fotokemi."— Presentationens avskrift:

1

2

3

4 Meteorologi: Den allmänna cirkulationen Kemisk meteorologi: Fotokemi

5 Hadley-celler Ferrel-celler Polarceller passadvindarna Hadley-celler Ferrel-celler Polarceller

6

7 E=hν E=hc/λ c=λ ν h= * J s c=2.997*10 8 m/s

8

9 Rayleigh- och Miespridning + + Absorbtion CO 2

10 Vibration, rotation, excitation

11

12 Både partiklar (aerosolen, molndroppar) och gaser sprider ljus - Rayleigh spridning (gaser); De ljusspridande molekylerna är betydligt mindre än våglängden hos det spridda ljuset - Mie spridning (aerosoler): Storleken hos de spridande partiklarna är av samma storleksordning som ljusets våglängd

13 Rayleigh Spridning Mie-spridning

14 Mie Rayleigh Mie: Ej lika storleksberoende

15 Elastisk, dvs absorberad och emitterad strålning är av samma våglängd/frekvens Vid flourescence sker energi övergångar som gör att det ljus som emitteras är av annan våglängd än det absorberade Fluorescence

16 dX FF+dF F(x 1 ) F(x 2 ) F(x 2 )=F(x 1 )*exp(-b a (x 2 -x 1 )) Beer-Lamberts lag δ a =optisk tjocklek δ a =∫b a (x)dx där b a =absorption koefficient F(x 2 )=F(x 1 )*exp(δ a )

17 Den totala extinktionen är proportionell mot extinktionskoefficienten, som motsvarar summan av absorptionskoefficienten och spridningskoefficienten be (extinktionskoef.) = bs (spridningskoef.) +ba (absorptionskoef.) F(x 1 )F(x 2 ) dX δ a =∫b a (x)dx δ s =∫b s (x)dx δ=δ s +δ a Optisk tjocklek hos lagret (optiskt djup om hela atmosfären avses) Ca 45% av inkommande ljus sprids och absorberas i atmosfären innan det når jordytan

18

19 Absorption är kvantifierad: endast energipaket motsvarande specifika energiövergångar kan absorberas! Saknas lämpliga energiövergångar kommer materialet vara transparent för den våglängden

20

21 Infrarött ljus: Vibrations-rotations övergångar – Växthuseffekten Microvågor: Rotations övergångar Synligt ljus/UV: Elektron övergångar – Fotokemi

22 Absorption i atmosfären: olika ämnen bra på att absorbera vid olika våglängder

23 En reaktion som aktiveras genom absorption av fotoner (ljuskvanta). Initieras av aborption av strålning med energi hv (vilken exakt motsvarar en energiövergång) Endast viktig i den synliga delen av spektrat + UV ljus; dvs energirik strålning – Involverar energiövergångar kopplade till elektronorbitaler/bindingar inom molekyler IR strålning i regel för svag (”energifattig”) för att initiera fotokemiska reaktioner

24

25 produkter ____________ Absorberade fotoner Φ=Φ=

26 NO 2 +hv  NO + O (ozonebildning i troposfär, λ= ) O 2 + hv  O + O (ozonbildning i stratosfär, λ<240nm) CCl 3 F + hv  Cl + produkter (frigör aktivt klor i stratosfär  ozonenedbrytning, λ= nm)

27

28 I stratosfären: Skyddar djur och växter mot skadlig UV- strålning I troposfären: ett kraftigt oxidationsmedel som skadar både växtlighet och djurliv En viktig och kraftfull växthusgas Viktig kemikalie i industrin och användbar för luftrening(!) på mindre skala Desinfektion, vattenrening etc.

29 Hälsoeffekter(cancer, starr, påverkan på immunsystemet) Vegetationsskador och skördebortfall UV-skador på marint liv (ffa störd primär produktion ; plankton)

30

31

32 3mm=300 DU

33 Ozon i atmosfären

34 O + O₂ + M → O₃ + M † (+värme) Inversion

35

36 Upptäcktes 1830-talet av Christian Schönbein (”ozein”  ”att lukta”) Ett mirakelmedel (Cornelius Fox, 1873): – ” Decomposing and putrid animal food, which is now thrown away by the butcher during the hot seasons of the year, might be restored to its wholesome freshness and purity by the employment of ozone” – “Ozone is a deodorizing and purifying agent of the highest order, resolving and decomposing into primitive and innocuous forms. It should be pumped into our mines and cities, and be diffused through fever wards, sick rooms, the crowded localities of the poor, or wherever the active power of the air is reduced and poisons are generated”

37 Schönbein upptäckte sedemera att absorptionspektrat för ozon överlappad solens spektra som det observerades vid jordytan. Under 1900-talet ökade förståelsen för ozonkemin i stratosfären Ca 150 år (80-talet) efter att ozon först upptäckts i laboratoriet noterades för första gången ozonhålet över antarktis

38 O2O2 2O2O 3 2O 2 UV-C UV-B

39 O₂ + h (<240nm) → 2O(1) O + O₂ + M → O₃ + M † (+värme)(2) O₃ + h (<320nm) → O₂ + O(3) λ<240nm λ<320nm

40 Chapman-mekanismen (1931) Sidney Chapman (Britisk vetenskapsman) Chapmanreaktionerna (1931) O₂ + h → 2O(1) O + O₂ + M → O₃ + M † (2) O₃ + h → O₂ + O(3) O + O₃ → 2O₂(4) Summan för reaktionerna 1 & 2: O₂ + h → 2O(1) 2 x ( O + O₂ + M → O₃ + M )(2) 3 O₂ + h → 2 O₃ NET

41 …medan reaktion 3&4 förstör ozon: O₃ + h → O₂ + O(3) O + O₃ → 2O₂(4) 2O₃ + h → 3 O₂ NET O₂ + h → 2O(1) O + O₂ + M → O₃ + M † (2) O₃ + h → O₂ + O (3) O + O₃ → 2O₂(4) Thus:

42

43 Vad bestämmer produktionshastigheten? – Mängden tillgängliga reaktanter (d.v.s. syrgas, O 2, som i sin tur är proportionellt mot trycket) – Mängden tillgänglig strålning (hur mycket har absorberats genom strålningens väg genom atmosfären; höjden)

44 Photolysis constants favored at high altitude (as proportional to photon flux)

45 Livstiden för ozon tillräckligt lång för att tillåta polvart transport Nordlig, nedåtgående transport Maximal produktion Maximal koncentration 3-4 månader Livstid 1 dag 3 år

46 Det fanns dock ett problem med chapman- mekanismen: beräknad ozonkoncentration var för hög jmf. med mätningarna Någon form av sänka saknades! Detta gällde även för den naturliga, icke-förorenade atmosfären Ett katalytiskt ämne föreslogs vara orsaken till de lägre halterna ozon

47 X återbildas, dvs verkar katalytiskt. Detta gör att varje molekyl X kan bidra till åtskilliga cykler i ozonnedbrytningen. O 3 +X  O 2 + XO XO + O  X + O 2 ∑ O 3 +O  2O 2

48 X=HO x, NO x HOx har sin källa i vattenånga och metan NO x kommer från N 2 O. N 2 O kommer i sin tur från microbiella processer i mark och vatten (samt konstgödsling) O 3 +hv  O*+O 2 O*+H 2 O  2OH (CH 4 +O*  CH 3 +OH) O 3 +hv  O*+O 2 O*+N 2 O  2NO

49 HOx ”odd hydrogen” (OH, HO 2 ) HO 2 -cycle HO₂ + O₃ → OH + 2O₂ (5) OH + O₃ → HO₂ + O₂ (6) 2O₃ → 3O₂ NET HO-cyle OH + O₃ → HO₂ + O₂ (6) HO₂ + O → OH + O₂ (7) O + O₃ → 2O₂ NET NOx, ”odd nitrogen”, (NO, NO 2 ) NO-cycle NO + O₃ → NO₂ + O₂ O + NO₂ → NO + O₂ O + O₃ → 2O₂NET

50 NO 3 +NO 2 +M↔ N 2 O 5 + M

51 CykelKällorSänkorReservoarer HOx H ₂ O,CH ₄,H ₂ HNO ₃ · nH ₂ O H ₂ SO ₄ · nH ₂ O H ₂ O,H ₂ O ₂ NOx N ₂ O + O(¹D)HNO ₃ N2O5,N2O5,

52 OZONHÅLET

53 Minskningen var så kraftig att forskarna initialt förkastade mätningarna som felaktiga! På 1985 rapporterad forskare från British Antarctic Survey (BAS) att mätningarna av ozon sedan 70-talet visat på en dramatisk minskning av ozonkoncentrationen årligen vid våren.

54

55

56 Oktober, 2013

57 Organiska klor- och fluorföreningar CFC’s började produceras under andra hälften av 1900-talet Har inga egentliga sänkor i troposfären! Detta medger transport in i stratosfären där den energirika strålningen kan börja bryta ner CFC-föreningarna  klor frigörs

58 Låg reaktivitet, låg toxicitet, brandsäkra Använda som kylmedium, drivgaser, lösningsmedel etc. Idag i huvudsak utfasade och delvis ersatta av HCFC-föreningar (innehåller väte, som kan angripas av OH radikaler och har därför kortare livstid i troposfären).

59 Energirik strålning i stratosfären kan bryta ner freonerna. Detta kommer frigöra kloratomer, som i sin tur angriper ozonet F C Cl F C + hv

60 ClO cykel 1: Cl+O 3  ClO + O 2 ClO+O  Cl + O 2 Σ: O 3 +O  2O 2 Cykel 2: 2Cl+2O 3  2ClO+2O 2 ClO+ClO  ClOOCl ClOOCl+hv  Cl+Cl+O 2 Σ: 2O 3  3O 2

61 Varje kloratom kan delta i hundratusentals ozonnedbrytningscykler. Vissa reaktioner terminerar dock de katalytiska kedjorna, och leder till att det aktiva kloret lagras och slutligen bortförs från stratosfären storing the catalytic species allowing them to be removed from the stratosphere OH+NO 2  HNO 3 Cl+CH 4  HCl+CH 3 HCl & HNO 3 är i regel tillräckligt stabila i stratosfären för att de skall hinna bortföras innan kloret åter frigörs

62 En annan mycket viktig reservoar är klornitrat. ClONO 2 lagrar två viktiga katalytiska specier: ClO och NO 2 ClO+NO 2 +M  ClONO 2 +M ClONO 2 +hv  ClO+NO 2

63 Cl+O 3 ClO + O 2 +O HCl CH 4 OH ClONO 2 NO 2 Light Under normala förhållanden är ca 99% av kloret bundet till reservoir- föreningar

64 Varken Cl-cykel 1 Cl+O 3  ClO + O 2 ClO+O  Cl + O 2 eller Cl-cykel Cl+2O 3  2ClO+2O 2 ClO+ClO  ClOOCl ClOOCl+hv  Cl+Cl+O 2...kan inte själva förklara den kraftiga ozon-nedbrytningen över Antarktis. Det finns helt enkelt för lite fritt klor.

65 Stratosfären är torr och innehåller vanligen inga moln. Vintertid kan emellertid temperaturen bli mycket låg i stratosfären (190K, -80°C). Då det är mörkt sker heller ingen uppvärmning på grund av ozonkemi. Tillsammans med de låga temperaturerna skapar jordrotationen en ”polar vortex” som isolerar luften över Antarktis från omgivningen Under these circumstances, polar stratospheric clouds can form HNO 3 *3H 2 O (NAT)(s) HNO 3 /H 2 SO 4 /H 2 O(l) H 2 O(s)

66 HNO 3 (g)+3H 2 O (g)  (HNO 3. 3H 2 O) (s) K HNO 3 /H 2 SO 4 /H 2 O (s) K H 2 O(s) K

67

68 ClO+NO 2 +M  ClONO 2 +M SedimenterarSedimenterar

69 Över Antarktis förbrukas kväveoxiderna (NOx), vilket gör att Cl inte kan lagras i sin inaktiva form klornitrat Tillsammans med det faktum att stora mängder klorgas (Cl 2 ) nu frigjorts skapar en mycket snabb nedbrytning. Eftersom luften dessutom är isolerad kan nya buffrande ämnen transporteras in över Antarktis före ”polar vortex” har brutits upp en bit in på våren Cl 2 +hv  2Cl Cl+O 3  ClO + O 2 ClO+O  Cl + O 2 Σ: O 3 +O  2O 2 2Cl+2O 3  2ClO+2O 2 ClO+ClO  ClOOCl ClOOCl+hv  Cl+Cl+O 2 Σ: 2O 3  3O 2

70 Höst 2008 Vår 2008

71

72

73 Ingen isolerande kontinent Mindre välutvecklad “polar vortex” Högre temperature (mindre PSC’s) Tidigare uppbrytning av “polar vortex”

74

75 Injektion av HCl och partiklar i stratosfären Mt Pinatubo 1991 gav upphov till en 20-faldig ökning av aerosolytan i stratosfären Heterogena reaktioner frigör klor och bortför NO x ClO+NO 2  ClONO 2  Mer Cl finns tillgängligt för ozonnedbrytning Mt Pinatubo eruption june 1991 ClO+NO 2  ClONO 2

76

77 Wienkonventionen till skydd för ozonlagret och tillhörande Montreolprotokollet (Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer) 1987 (i kraft 1989). – Ursprungligen beslut om att halvera produktion och konsumtion av 5 freoner och tre haloner – Ratificerat av 195 länder – Har successivt skärpts i flera omgångar, senast 2007 – “Most Successful Global Environment Agreement”

78

79 Fluorkolväten Klorfluorkolväten klorfluorkarboner CFC, HCFC and HFC turnover in Sweden

80

81

82

83

84 d[C]/dt=0, S=K O₂ + h → 2O(1) O + O₂ + M → O₃ + M † (2) O₃ + h → O₂ + O(3) O + O₃ → 2O₂(4) d[O]/dt=2*R1+R3-R2-R4=0 d[O 3 ]/dt=R2-R3-R4=0 vid steady state d[O]/dt=0, 2*J1*O 2 +J3*O 3 =k2*O*O 2 *M+k4*O*O 3

85 In the stratosphere however, R3 and R2 cycle O much more rapidly than R1 and R4 which give the opportunity to assume that steady state is determined by R3 and R2 : O₂ + h → 2O(1) O + O₂ + M → O₃ + M † (2) O₃ + h → O₂ + O(3) O + O₃ → 2O₂(4)

86 j 1 [O₂] = k₄[O][O₃] For [O]

87 Ekv. 1

88 M proportional to air pressure, and thus [O 3 ] favoured at high altitude

89


Ladda ner ppt "Meteorologi: Den allmänna cirkulationen Kemisk meteorologi: Fotokemi."

Liknande presentationer


Google-annonser