Ισορροπία στη σύσταση αέριων συστατικών

Transcript

1 Ισορροπία στη σύσταση αέριων συστατικών Για κάθε αέριο υπάρχουν μηχανισμοί παραγωγής και καταστροφής Ρυθμός μεταβολής ενός αερίου = ρυθμός παραγωγής ρυθμός καταστροφής Όταν: ρυθμός παραγωγής = ρυθμός καταστροφής ισορροπία Οι μηχανισμοί παραγωγής ή καταστροφής εξαρτώνται από: Θερμοκρασία Πίεση Ακτινοβολία Συνολική ποσότητα του αερίου Ποσότητα των άλλων αερίων Διάφορους άλλους παράγοντες (άνεμος, ηφαίστεια, ανθρώπινες δραστηριότητες, κ.λ.π.) Παράγοντες που επηρεάζουν τη σύνθεση της ατμόσφαιρας Απαερίωση (outgassing) o Θέρμανση από τον πυρήνα της Γης o Ηφαιστειακές εκρήξεις Συγκρούσεις: μετεωρίτες, κομήτες Θερμική διαφυγή o Μόρια αερίων που κινούνται ταχύτερα από την ταχύτητα διαφυγής Διάσπαση o Αλληλεπίδραση με την ηλιακή ακτινοβολία Αλληλεπίδραση με ορυκτά, έδαφος και ωκεανούς 9

2 ΔΙΑΦΥΓΗ ΑΕΡΙΩΝ ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ Προϋπόθεση για διαφυγή ενός μορίου: Κινητική ενέργεια > δυναμική ενέργεια mv mgr > V 2gr δ = Ανεξάρτητη του m Για r = 6370 m: V δ = 11.2 km s -1 (Έδαφος) Πότε ένα μόριο αποκτά ταχύτητα > V δ? Z>400 km: Μέση ελευθέρα διαδρομή >100 km (πολύ αραιή ατμόσφαιρα) Η πλέον πιθανή ταχύτητα V π ενός σωματίου: k = σταθερά Boltzmann (1.38 x J K -1 ) Τ = θερμοκρασία (Κ -1 ) m = μάζα (kg) V π = 2kT m Εξάρτηση από m, Τ Κινητική θεωρία (κατανομή Maxwell) Ταχύτητα V Ποσοστό σωματίων που διαφεύγουν 1 V π 50% 2 V π 2% 3 V π 0.01% 4 V π 1 ppm ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Υδρογόνο (m=1) για Τ = 600 Κ V π ~ 3 km s -1 Για r = 500 km g = 8.43 m s -2 V δ = km s -1 V δ ~ 3.5 V π 10

3 Η ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΤΗΣ ΓΗΣ Αρχική σύσταση 4.5 x 10 9 έτη πριν: Παρόμοια με αυτή του Ήλιου (Η 2, αδρανή αέρια) Απώλεια ατμόσφαιρας λόγω υψηλών θερμοκρασιών Χημική προ-βιολογική εποχή Έκλυση ηφαιστειακών αερίων: Η 2, CΗ 4, Ν 2, ΝΗ 3, Η 2 Ο, CO, CN, CO 2, SO 2, κ.ά. Ελάττωση της θερμοκρασίας (εκπομπή IR): συμπύκνωση H 2 O δημιουργία των θαλασσών Η ποσότητα νερού που μπορεί να κρατήσει η ατμόσφαιρα υπό μορφή υδρατμών είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας (εξίσωση Clausius-Clapeyron): Μερική πίεση των υδρατμών Θερμοκρασία (C) C Η ψύξη οδηγεί στην απόσυρση υδρατμών από την ατμόσφαιρα Απόσυρση υδατοδιαλυτών ενώσεων μέσω απόπλυσης (π.χ. CO 2, SO 2 ) Συσσώρευση άνθρακα στον πυθμένα των ωκεανών (χημική αποσύνθεση CO 2 ) UV ακτινοβολία διασπά μόρια (π.χ. Η 2 Ο, ΝΗ 3,... Η 2, Ν 2, Ο 2) 11

4 Μικροβιακή εποχή 2 x 10 9 έτη (αύξηση του οξυγόνου μείωση του CO 2 ) H 2 O + UV ακτινοβολία + κεραυνοί παραγωγή Ο 2 Αρχικά Ο 2 παράγεται από φωτοσύνθεση κυανο-βακτηρίων (το περισσότερο Ο 2 δεσμεύεται στα ορυκτά μέχρι να κορεστούν ~1 x 10 9 έτη) Συνέχιση της παραγωγής Ο 2 : Φωτοδιάσπαση υδρατμών και CO 2 : H 2 O + hv UV 2 Η 2 + Ο 2 Φωτοσύνθεση: H 2 O +CΟ 2 + hv VIS CΗ 2 O+ Ο 2 (κυρίαρχη αντίδραση) Υψηλή ενέργεια + αέρια αναγωγικής ατμόσφ. αμινοξέα + οργανικές ενώσεις Προστασία των ενώσεων μέσα στο νερό από την UV ακτινοβολία Παραγωγή DNA και RNA ΖΩΗ Φωτοσύνθεση παραγωγή Ο 2 + κατανάλωση CO 2 Ο 2 + hv(uv) O 3 απορρόφηση UV προστασία οργανισμών (DNA) οργανισμοί μπορούν να επιβιώσουν έξω από τους ωκεανούς 12

5 Βιολογική εποχή Απόσυρση CO 2 μέσω δέσμευσής του στις ανθρακικές ενώσεις (οξείδωση) Αύξηση Ο 2 μέσω της φωτοσύνθεσης και των αεροβικών οργανισμών x 10 9 έτη πριν: Η ατμόσφαιρα έχει όσο Ο 2 έχει και σήμερα Πρόσφατα: Ισορροπία στην περιεκτικότητα CO 2 και Ο 2. Κυριαρχία Ν 2.(αδρανές, αδιάλυτο) Γιατί η περιεκτικότητα σε Ο 2 παρέμεινε στο 20%? Η σύσταση της Γήινης ατμόσφαιρας είναι σημαντικά διαφορετική από αυτή γειτονικών πλανητών, παρότι σε όλους η δημιουργία ξεκίνησε με τις ίδιες διαδικασίες Ερώτημα: Γιατί η ατμόσφαιρα των γειτονικών πλανητών περιέχει τόσο μεγάλη συγκέντρωση CO 2 και μηδαμινή συγκέντρωση Ο 2? 13

6 Σύσταση της ατμόσφαιρας (κύρια και δευτερεύοντα συστατικά) Αέριο ΜΒ (%) κατ όγκο N O Ar Ξηρός αέρας CO Όλα τα άλλα αέρια Η 2 Ο Μεταβλητό (0.1-5%) Μέσο μοριακό βάρος του ξηρού αέρα (28.97) M C i : αναλογία μίγματος του συστατικού i, M i : Μοριακό βάρος του συστατικού i. = CM a i i i Ερώτημα: Ο υγρός αέρας είναι βαρύτερος ή ελαφρύτερος του ξηρού; 14

7 Ατμοσφαιρικά συστατικά σε ίχνη με περιβαλλοντική σημασία Χημικό συστατικό Αναλογία μείγματος mol/mol άλλες μονάδες Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) (0.1-20) ppb - 20 ppm Μεθάνιο (CH 4 ) ppm Όζον (O 3 ) (1-100) ppb Μονοξείδιο του αζώτου (NO) ( ) ppt-1ppb Διοξείδιο του αζώτου (NO 2 ) (1-150) ppb Υποξείδιο του αζώτου (N 2 O) ppb Αμωνία (NH 3 ) (0-0.5) ppb Διοξείδιο του θείου (SO 2 ) (1-100) ppb CFCl3 (Freon 11) ppt CF2Cl2 (Freon 12) ppt Ατμοσφαιρικά αιωρήματα (αεροζόλ) Μεταβλητή περιεκτικότητα Ερώτημα: Η σύσταση της ατμόσφαιρας ως προς τα συστατικά αυτά δεν είναι σταθερή χωρικά και χρονικά. Γιατί συμβαίνει αυτό; 15

8 ΤΥΠΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Συστατικό Αναλογία μείγματος Κατακόρυφη στην τροπόσφαιρα κατανομή Διεργασίες ελέγχου Ν % Ομογενής Κατακόρυφη ανάμειξη Ο % Ομογενής Κατακόρυφη ανάμειξη Η 2 Ο % Ελαττώνεται απότομα Εξάτμιση, υγροποίηση, στην τροπόσφαιρα μεταφορά, παραγωγή Αυξάνεται στη από οξείδωση CH 4 στρατόσφαιρα μεγάλη μεταβλητότητα Ar 0.93% Ομογενής Κατακόρυφη ανάμειξη CO ppm Ομογενής Κατακόρυφη ανάμειξη, παραγωγή στο έδαφος με αυξητική τάση από ανθρωπογενείς Ο ppb Αυξάνεται απότομα στη στρατόσφαιρα (10 ppm) μεγάλη μεταβλητότητα CH ppm Ομογενής στην τροπόσφαιρα ελαττώνεται στη μέση με αυξητική τάση ατμόσφαιρα Ν 2 Ο 310 ppm Ομογενής στην τροπόσφαιρα ελαττώνεται στη μέση με αυξητική τάση ατμόσφαιρα CO ppb Ελαττώνεται στην τροπόσφαιρα Αυξάνεται στη στρατόσφαιρα διεργασίες Φωτοχημική παραγωγή στη στρατόσφαιρα καταστροφή στο έδαφος & φωτοχημικά Παράγεται από διεργασίες στο έδαφος, Οξέιδωσή του παράγει Η 2 Ο Παργωγή στο έδαφος από ανθρωπογενείς διεργασίες, διασπάται στη μέση ατμόσφαιρα, παράγει ΝΟ Παράγεται ανθρωπογενώς, και με οξείδωση του CH 4 NO 0.1 ppmv Αυξάνεται με το ύψος Παράγεται από διάσπαση του Ν 2 Ο, καταλυτικά καταστρέφει Ο 3 CFC-11 CFC ppmv 0.3 ppmv Ομογενής στην τροπόσφαιρα ελαττώνεται στη στρατόσφαιρα Βιομηχανική παραγωγή ανάμειξη στην τροπόσφαιρα, φωτοδοάσπαση στη στρατόσφαιρα Ne (18 ppm) He (5 ppm) Kr (1.1 ppm) H 2 (0.5 ppm) Και πολλά άλλα ιδιαίτερα στις αστικές βιομηχανικές περιοχές 16