ΥΔΡΟΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τομέας Υδατικών Πόρων ΥΔΡΟΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Νίκος Μαμάσης, Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ Δημήτρης Κουτσογιάννης, Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αθήνα 2008

2 ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ: Γενικά χαρακτηριστικά της ατμόσφαιρας ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΕΙΔΙΚΟΤΕΡΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΙΑ ΠΙΘΑΝΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (χρονική, εποχιακή, γεωγραφική) 3

4 ΓΗ ΚΑΙ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΑ ΚΑΙ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΑ (ΥΨΟΣ 50 km - ΠΟΣΟΣΤΟ ΜΑΖΑΣ 99.9%) ΟΜΟΙΟΣΦΑΙΡΑ (ΥΨΟΣ 85 km - ΠΟΣΟΣΤΟ ΜΑΖΑΣ %) ΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΑ, ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΑ, ΜΕΣΟΣΦΑΙΡΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΣΦΑΙΡΑ (ΥΨΟΣ 500 km) ΜΕΣΗ ΑΚΤΙΝΑ ΓΗΣ:6370 km ΜΑΖΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ: 5.14*10 18 kg ΜΕΣΗ ΠΙΕΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ: 988 hp Εικόνα 1. Στρώματα της ατμόσφαιρας της γης 4

5 ΣΤΡΩΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (1/2) 500 ΕΞΩΣΦΑΙΡΑ 400 ΙΟΝΟΣΦΑΙΡΑ ΥΨΟΜΕΤΡΟ (km) ΘΕΡΜΟΣΦΑΙΡΑ ΕΤΕΡΟΣΦΑΙΡΑ 100 ΜΕΣΟΣΦΑΙΡΑ 0 ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΑ ΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( o C) ΟΜΟΙΟΣΦΑΙΡΑ Διάγραμμα 1. Τα στρώματα της ατμόσφαιρας συναρτήσει της θερμοκρασίας 5

6 ΣΤΡΩΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (2/2) ΜΕΣΟΠΑΥΣΗ ΘΕΡΜΟΣΦΑΙΡΑ mb 0.01 mb ΣΤΡΑΤΟΠΑΥΣΗ ΜΕΣΟΣΦΑΙΡΑ 0.1 mb 1 mb ΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΑ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΑ ΤΡΟΠΟΠΑΥΣΗ 10 mb 100 mb 1000 mb Θερμοκρασία ( ο C) Διάγραμμα 2. Θερμοκρασία και πίεση των στρωμάτων της ατμόσφαιρας 6

7 ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΤΗΝ ΟΜΟΙΟΣΦΑΙΡΑ Στοιχεία Ενώσεις Αέριο Σύμβολο Ποσοστό όγκου (%) Αέριο Σύμβολο Ποσοστό όγκου (%) Άζωτο N Υδρατμοί H 2 O Οξυγόνο O 2 Διοξείδιο του CO Όζον O άνθρακα Αργόν Ar 0.93 Μεθάνιο C H Νέον Ne Οξείδιο του αζώτου N 2 O Ήλιον He Ατμοσφαιρικά Υδρογόνο H αιωρήματα Ξένον Xe Χλωροφθοράνθρα- CFCs Κρυπτόν Kr κες 7

8 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ (1/4) N 2 ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Δέσμευση (fixation) από βιολογικούς μικροοργανισμούς κυρίως στο έδαφος Δέσμευση από κεραυνούς και άλλες διεργασίες ιονισμού στην ατμόσφαιρα Δέσμευση από την παραγωγή τεχνητών λιπασμάτων Αποσύνθεση φυτών και ζώων Μετατροπή οργανικών ενώσεων σε άζωτο, από αναερόβια βακτηρίδια Πριν την εμφάνιση του ανθρώπου υπήρχε ισοζύγιο μεταξύ εισόδου και εξόδου του αερίου στην ατμόσφαιρα Στον 20 ο αιώνα παρατήθηκε αύξηση της βιομηχανικής δέσμευσης αλλά και της βιολογικής (προέρχεται κυρίως από την καλλιέργεια των οσπρίων) Η βιομηχανική δέσμευση έχει τριπλασιαστεί τα τελευταία 30 χρόνια και η απορροή εκτάσεων στις οποίες χρησιμοποιούνται λιπάσματα, σε λίμνες, ποτάμια και θάλασσες, προκαλεί μείωση του οξυγόνου και ανάπτυξη φυκιών O 2 Φωτοσύνθεση Φωτοδιάσπαση του νερού Διαπνοή Αποσύνθεση Καύσεις Παραγωγή οξειδίων Είναι το περισσότερο χημικά ενεργό από τα αέρια που βρίσκονται σε αφθονία στην ατμόσφαιρα Σήμερα όλα τα ανόργανα γήινα υλικά είναι πλήρως οξειδωμένα και η δράση του οξυγόνου συνεχίζεται με το συνεχώς σχηματιζόμενο οργανικό υλικό Όλη η σημερινή ποσότητα έχει δημιουργηθεί από την κατά μέσο όρο ελαφρά υπεροχή της φωτοσύνθεσης έναντι της διαπνοής και της αποσύνθεσης. Η υπεροχή αυτή διατηρήθηκε για μεγάλο τμήμα της ιστορίας της γης και αυξήθηκε τα τελευταία λίγα εκατομμύρια έτη. 8

9 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ (2/4) Ar ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Η αφθονία του στην ατμόσφαιρα οφείλεται στο ισότοπο 40 Ar το οποίο συσσωρεύεται σε όλη την ιστορία της γης από ραδιενεργό διάσπαση του καλίου ( 40 Κ) στο στερεό φλοιό της γης, ενώ στη συνέχεια πραγματοποιείται σταδιακή διάχυση στην επιφάνεια Είναι χημικά αδρανές και αναμεμιγμένο σε όλη την ομοιόσφαιρα. H 2 O Εξάτμιση Συμπύκνωση Η ποσότητα των υδρατμών μεταβάλλεται έντονα στο χώρο και το χρόνο δεδομένου ότι εμπλέκονται στον υδρολογικό κύκλο. Η σημερινή υδρόσφαιρα είναι 100 φορές μικρότερη από την ποσότητα των υδρατμών που έχει διοχετευθεί στην ατμόσφαιρα από τα ηφαίστεια CO 2 Απελευθερώνεται από το εσωτερικό της γης Διαπνοή Εδαφικές διεργασίες Καύση δασών και ορυκτών καυσίμων (κάρβουνο, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) Αποσύνθεση φυτών Ωκεάνια έκλυση Διάλυση στους ωκεανούς Κατανάλωση από φωτοσύνθεση Εμπλέκεται σε ένα σύνθετο παγκόσμιο κύκλο Ο ρυθμός της φωτοσύνθεσης μεταβάλλεται σε ημερήσια και εποχική βάση, ενώ το CO 2 αποθηκεύεται στις ρίζες τα κλαδιά και τα φύλλα των φυτών Οι ωκεανοί παίζουν σημαντικό ρόλο στον κύκλο δεδομένου ότι αποτελούν μια αχανή δεξαμενή για το CO 2 9

10 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ (3/4) CΗ 4 N 2 O ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Καταστρέφεται στην τροπόσφαιρα από το υδροξύλιο ΟΗ που παράγεται από την χλωρίδα με βάση την αντίδραση: CH 4 + OH CH 3 +H 2 O Αναερόβιες διεργασίες βακτηριδίων σε υγρότοπους - οριζώνες (40%) Πεπτικές διεργασίες των ζώων (βιοχημικές αντιδράσεις στο στομάχι) Καύση βιομάζας και άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες Παραγωγή στερεών καυσίμων Εξόρυξη πετρελαίου και γαιάνθρακα Βιολογικοί μηχανισμοί στον ωκεανό και το έδαφος Βιομηχανική καύση - αυτοκίνητα -αεροπλάνα-καύση βιομάζας Αποτέλεσμα της χρήσης χημικών λιπασμάτων Χημικές διαδικασίες με βακτήρια και μικρόβια στο έδαφος Καταστρέφεται από φωτοχημικές αντιδράσεις στη στρατόσφαιρα και παράγει οξείδια (ΝΟ X ) Καταστρέφεται από την υπεριώδη ακτινοβολία Σχετικά αδρανές CFCs Ψυκτικά αέρια (freon) και κλιματιστικά Προωθητικά αερίων Διαλυτικό στον καθαρισμό ηλεκτρονικών μικροκυκλωμάτων Διασπώνται στην στρατόσφαιρα από την υπεριώδη ακτινοβολία σε μόρια χλωρίου Προέρχονται αποκλειστικά από ανθρωπογενή δράση. Δεν υπήρχαν στην ατμόσφαιρα πριν το

11 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ (4/4) SO 2 Ο 3 ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Φυσική οξείδωση ενώσεων του θείου, οι οποίες προέρχονται από βιολογικές λειτουργίες των οργανισμών Καύση γαιάνθρακα και πετρελαίων, πλούσιων σε θείο Τήξη των θειούχων μεταλλευμάτων Ένωση μοριακού με ατομικό οξυγόνο Ανθρώπινες δραστηριότητες (καύσεις) Φωτοδιάσπαση από την απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας Καταστροφή από φωτοχημικές αντιδράσεις με οξείδια του αζώτου και χλώριο στη μέση και ανώτερη στρατόσφαιρα. Ένωση με άλλα αέρια ή με άλλα μόρια όζοντος. Είναι ένα από τα πιο καταστροφικά αέρια της ατμόσφαιρας για τους ζωντανούς οργανισμούς. Όταν η συγκέντρωση ξεπεράσει την κανονική προκαλείται ερεθισμός και καταστροφή των ιστών των φυτών και των ζώων. Στις πόλεις όπου καταγράφονται συγκεντρώσεις πάνω από 1 ppm η εισπνοή του είναι η μεγαλύτερη αιτία καταστροφής των πνευμόνων (μετά το κάπνισμα). Ακόμη έχει παρατηρηθεί στο παρελθόν πλήρης καταστροφή της βλάστησης γύρω από βιομηχανίες, ιδιαίτερα όταν ο εξαερισμός της περιοχής δεν ήταν επαρκής Στην επιφάνεια είναι το κύριο συστατικό της αιθαλομίχλης (smog), αλλά η πλειονότητα (97%) βρίσκεται στην στρατόσφαιρα Η μείωσή του θα είναι υπεύθυνη για αύξηση των καρκίνων του δέρματος, θα έχει αρνητική επίδραση στα φυτά και στα ζώα, ενώ μπορεί να προκαλέσει πτώση της θερμοκρασίας της στρατόσφαιρας με συνέπεια την κλιματική αλλαγή Φαίνεται ότι οι ανθρώπινες δραστηριότητες ανεβάζουν τη συγκέντρωση του όζοντος 11

12 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΑΙΩΡΗΜΑΤΑ AEROSOLS (1/2) Είναι τα υγρά και στερεά σωματίδια που βρίσκονται σε πολύ μεγάλο αριθμό στην κατώτερη ατμόσφαιρα. Είναιπολύ μικρά (ακτίνα μm) και πέφτουν αργά ώστε να θεωρηθούν κατακρήμνιση. Τα μεγαλύτερα είναι συγκρίσιμα με σταγόνες νεφών αλλά διακρίνονται γιατί περιέχουν μεγαλύτερη αναλογία στερεών η διαλυμένων υλικών. Με ακτίνα < 0.1 μm ονομάζονται πυρήνες του Aitken (Aitken nuclei) από τον Σκώτο Aitken που πρώτος τα μέτρησε. Αποτελούν τη κύρια ποσότητα για την συμπύκνωση των σταγόνων στα νέφη. Αριθμητικά είναι τα περισσότερα αλλά περιλαμβάνουν το 1/5 της συνολικής μάζας. Με ακτίνα μm ονομάζονται μεγάλοι πυρήνες(large nuclei). Είναι δέκα φορές λιγότερα από τα προηγούμενα αλλά περιλαμβάνουν το μισό της συνολικής μάζας. Μεακτίνα >1μmονομάζονταιγιγάντιοιπυρήνες(giantnuclei).Ανκαι αριθμητικά πολύ λίγοι(σπάνια υπερβαίνουν 1000/λίτρο) περιλαμβάνουν μεγάλο μέρος της συνολικής μάζας. 12

13 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΑΙΩΡΗΜΑΤΑ AEROSOLS (2/2) ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μεγαλύτερα σωματίδια, όταν μεταφέρονται μακριά από τις περιοχές παραγωγής (Aitken) Παρασύρονται από τους υδρατμούς για να σχηματίσουν νεφοσταγονίδια (Aitken) Απομακρύνονται με τον σχηματισμό των νεφών (μεγάλοι) Παρασύρονται από τη βροχή (γιγάντιοι) Φυσικές και τεχνητές καύσεις (Aitken, μεγάλοι, γιγάντιοι) Ηφαίστεια (Aitken, μεγάλοι, γιγάντιοι) Μετατροπές αερίων σε σωματίδια, όταν τα αέρια προέρχονται από το μεταβολισμό και την αποσύνθεση ζωντανών οργανισμών (Aitken, μεγάλοι, γιγάντιοι) Ένωση μικρότερων πυρήνων (μεγάλοι, γιγάντιοι) Εισροή σωματιδίων αλατιού όταν οι φυσαλίδες σπάνε στην επιφάνεια της θάλασσας (μεγάλοι, γιγάντιοι) Άνοδος σκόνης από τον αέρα στην έρημο (γιγάντιοι) Μεγάλες συγκεντρώσεις των μεγάλων πυρήνων είναι υπεύθυνες για την διάχυση του ηλιακού φωτός και την δημιουργία της ξηράς αχλύος (dry haze) όταν επικρατούν αντικυκλώνες Τα σωματίδια παίζουν σημαντικό ρόλο στη δημιουργία των νεφών, στην ορατότητα, και σε ορισμένες χημικές διαδικασίες στην τροπόσφαιρα. Ακόμη η διάχυση τους στη στρατόσφαιρα παίζει σημαντικό ρόλο στην εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία Χωρίς τα aerosols η θερμοκρασία τον 20 ο αιώνα θα ανέβαινε 20% ακόμη. Ίσως σε αυτά να οφείλεται η πτώση θερμοκρασίας κατά την περίοδο , ενώ μετά το 1970 το CO 2 και το CH 4 με μεγαλύτερο χρόνο ζωής συντέλεσαν ώστε να ξανανεβεί η θερμοκρασία 13

14 ΕΙΔΙΚΟΤΕΡΑ ΘΕΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ (1/2) 1. Φωτοσύνθεση (photosynthesis) Η 2 Ο + CΟ 2 + ορατή ακτινοβολία {CΗ 2 Ο} + Ο 2 Με την παραπάνω διαδικασία η παραγωγή οξυγόνου συνδέεται και με βιολογικές διεργασίες, δεδομένου ότι το μονομερές {CΗ 2 Ο} που παράγεται είναι η βασική δομική μονάδα για τα μόρια υδατανθράκων, που σχηματίζουν τα κύτταρα των φυτών. Το νερό και το CO 2 που χρειάζονται για τη φωτοσύνθεσηυπάρχουνάφθοναστιςθάλασσες (50φορέςπερισσότεροCΟ 2 από ότι στην ατμόσφαιρα σε διαλυμένη μορφή) αν και οι μικρές ποσότητες στον αέρα είναι πολύ σημαντικές για το κομμάτι της βιόσφαιρας στην ξηρά. Χρησιμοποιώντας αυτά τα αποθέματα και το ηλιακό φως η ζωή δημιουργεί το απόθεμα οξυγόνου από το οποίο τώρα εξαρτάται 2. Φωτοδιάσπαση του νερού (photodissociation) 2Η 2 Ο + υπεριώδης ακτινοβολία 2Η 2 + Ο 2 Ο ρόλος της φωτοδιάσπασης ερευνάται. Υπάρχει αβεβαιότητα σχετικά με το ρυθμό της αντίδρασης ο οποίος εξαρτάται από τον ρυθμό άλλων ανταγωνιστικών φωτοχημικών αντιδράσεων στην ίδια υπεριώδη ακτινοβολία. Ακόμη ο ρυθμός παραγωγής του οξυγόνου εξαρτάται από τον ρυθμό διαφυγής του υδρογόνου στην ατμόσφαιρα. Αν ο ρυθμός διαφυγής είναι μικρός τότε το οξυγόνο ενώνεται πάλι με το υδρογόνο για να σχηματίσει νερό 14

15 ΕΙΔΙΚΟΤΕΡΑ ΘΕΜΑΤΑ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ (2/2) 1. Αναπνοή (respiration). Διαδικασία με την οποία ζωντανοί οργανισμοί παράγουν ενέργεια με υψηλά ρυθμιζόμενη οξείδωση της τροφής 2. Αποσύνθεση (decay). Διαδικασία όπου βακτήρια αντιδρούν στα πτώματα των νεκρών οργανισμών 3. Καύση ορυκτών καυσίμων (combustion of fossil fuels). Το οξυγόνο καταναλώνεται από όλες τις καύσεις (φωτιές δασών, γαιάνθρακας, πετρέλαιο). Με τους σημερινούς ρυθμούς καύσης ο άνθρωπος καταναλώνει σε ένα χρόνο το οξυγόνο που παράχθηκε με φωτοσύνθεση σε 1000 χρόνια Οι τρεις παραπάνω διεργασίες εκφράζονται από την αντίδραση: {CΗ 2 Ο} + Ο 2 Η 2 Ο + CΟ 2 4. Διάφορες οξειδώσεις (oxidation). Από το καθαρό οξυγόνο που έχει παραχθεί από τα φυτά (φωτοσύνθεση μείον αποσύνθεση), στην ιστορία της γης, μόνο το 10% είναι τώρα αποθηκευμένο στην ατμόσφαιρα. Το περισσότερο μετατράπηκε σε διάφορα οξείδια (Fe 2 O 3 ) και ενώσεις του άνθρακα (CaCO 3, MgCO 3 ) στην επιφάνεια της γης. Σημειώνεται ότι η παραγωγή των ενώσεων του άνθρακα είναι από τις κύριες αιτίες μείωσης του διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο έχει απελευθερωθεί από τα ηφαίστεια σε όλη την χρονική εξέλιξη της ατμόσφαιρας 15

16 ΕΙΔΙΚΟΤΕΡΑ ΘΕΜΑΤΑ ΟΞΙΝΗ ΒΡΟΧΗ -ACID RAIN Η καύση καυσίμων που περιέχουν θείο απελευθερώνει το άχρωμο διοξείδιο του θείου στον αέρα Στη συνέχεια το SO 2 οξειδώνεται σε SO 3 το οποίο ενυδατώνεται (hydrated) (όταν η ατμόσφαιρα είναι αρκετά υγρή) σε Η 2 SO 4 στις σταγόνες των νεφών, διατηρώντας οξύτητα μακριά από την κανονική (PH=5.6) Σαν αποτέλεσμα πραγματοποιείται η όξινη βροχή κοντά σε βιομηχανικές περιοχές, η οποία οξειδώνει μέταλλα, προκαλεί ζημιές στα εδάφη μεγάλων περιοχών, στη βλάστηση (ειδικά στα δέντρα), στα ποτάμια και τις λίμνες Το φαινόμενο της όξινης βροχής διερευνάται και πιστεύεται πως εμπλέκονται και άλλα οξείδια όπως αυτά του αζώτου 16

17 ΕΙΔΙΚΟΤΕΡΑ ΘΕΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΟΞΥΓΟΝΟΥ - ΟΖΟΝΤΟΣ 1. Φωτοδιάσπαση του οξυγόνου Ο 2 +υπεριώδηςακτινοβολία 2O Η αντίδραση διατηρεί πάνω από το 50% των ατόμων και μορίων οξυγόνου (στο επίπεδο πάνω από τα 120 km). Το ατομικό οξυγόνο που παράγεται με αυτήν την αντίδραση είναι το κύριο συστατικό της ατμόσφαιρας σε ύψη μεγαλύτερα των 100 km. Το ποσοστό ατομικού οξυγόνου είναι πολύ χαμηλό στη στρατόσφαιρα και σχεδόν μηδενικό πιο χαμηλά. Aπορροφά υπεριώδη την ακτινοβολία( μm) και επιδρά στη θέρμανση της θερμόσφαιρας 2. Σχηματισμός όζοντος O 2 +O+M O 3 +M Το Μ είναι ένα τρίτο μόριο οποιουδήποτε αερίου που θα πρέπει να μεταφέρει την θερμότητα που απελευθερώνεται από την αντίδραση 17

18 ΕΙΔΙΚΟΤΕΡΑ ΘΕΜΑΤΑ - ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗ ΟΖΟΝΤΟΣ 1. Φωτοδιάσπαση του όζοντος Ο 3 +υπεριώδηςακτινοβολία Ο 2 +O Το όζον είναι ισχυρός απορροφητής της υπεριώδους ακτινοβολίας( μm) διαμέσου της φωτοδιάσπασης 2. Διάσπαση του όζοντος Περικλείει μια επανασύνδεση με το ατομικό οξυγόνο με τη βοήθεια καταλύτη (ένα υδροξύλιο) Η+Ο 3 ΟΗ+Ο 2 και ΟΗ+Ο Η+Ο 2 άρα Ο3+Ο 2Ο 2 Τα άτομα υδρογόνου και τα υδροξύλια προέρχονται από υδρατμούς, μοριακό οξυγόνο και μεθάνιο 3. Αντίδραση με χλώριο και οξείδια του αζώτου Στη στρατόσφαιρα το όζον καταστρέφεται από οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ, ΝΟ, ΝΟ 2 ) και ρίζες χλωρίου (Cl, ClO). Τα πρώτα προέρχονται από το Ν 2 Ο και τα δεύτερα από τους χλωροφθοράνθρακες. Και τα δύο αέρια μεταφέρονται στη στρατόσφαιρα όπου το πρώτο οξειδώνεται, ενώ οι δεύτεροι από την υπεριώδη γίνονται ρίζες χλωρίου Κατόπιν 2(Cl+O 3 ) ClO+O 2 CO+ClO ClO 2 και Cl+O 3 ClO+O 2 OH+O 3 HO 2 +O 2 και οι δύο αντιδράσεις οδηγούν στην αφαίρεση του όζοντος και του ατομικού οξυγόνου 18

19 ΜΙΑ ΠΙΘΑΝΗ* ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ 1.Δημιουργία της γης. Η αρχική ατμόσφαιρα αποτελείται από υδρογόνο, ήλιο (τα δύο πιο διαδεδομένα αέρια στο σύμπαν), παράγωγα του υδρογόνου (μεθάνιο, αμμωνία), οξυγόνο, άζωτο, άνθρακα, καθώς και ίχνη από βαρύτερα στοιχεία. 3.Η αρχικά γρήγορη εκπομπή των αερίων σχεδόν ολοκληρώνεται. Τα αέρια περιλαμβάνουν υδρατμούς, υδρογόνο, μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα, υδροχλώριο και μοριακό άζωτο. 5.Το ατμοσφαιρικό CO 2 έχει μειωθεί σημαντικά λόγω της διάλυσής του στους ωκεανούς και την παγίδευσή του στο φλοιό της γης και τον ανώτερο μανδύα, μέσα από χημικές και βιολογικές διεργασίες σε ανθρακικούς σχηματισμούς (όπως οι ασβεστόλιθοι). Χρόνος (10 9 έτη πριν από σήμερα) Η πρώτη ατμόσφαιρα διέφυγε στο διάστημα λόγω της βίαιης δραστηριότητα του νεαρού ηλιακού συστήματος ή της μεγάλης θερμοκρασίας της γης. Πιθανή δημιουργία δεύτερης ατμόσφαιρας με την εκπομπή αερίων από το εσωτερικό της γης (ηφαιστειακή δραστηριότητα). 4.Σταδιακά με την πάροδο εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών η γη κρύωσε και οι υδρατμοι συμπυκνώθηκαν δημιουργώντας σύννεφα και συνεχείς βροχοπτώσεις για χιλιάδες χρόνια που δημιούργησαν αρχαίους ωκεανούς, ποτάμια και λίμνες. Τα ελαφρά μόρια του υδρογόνου απέδρασαν από το πεδίο βαρύτητας αφήνοντας τη ατμόσφαιρα να κυριαρχείται από CO 2 και N 2. 6.Από αυτή την εποχή και μετά υπάρχουν αποδείξεις (απολιθώματα), για την ύπαρξη μονοκυτταρικών βακτηριδίων, ικανών για περιορισμένη αναερόβια φωτοσύνθεση. *Η γνώση που σχετίζεται με την εξέλιξη της ατμόσφαιρας είναι σχετικά περιορισμένη, δεδομένου ότι οι χρονικές περίοδοι στις οποίες δημιουργήθηκε και εξελίχθηκε η γήινη ατμόσφαιρα, χωρίζονται με το παρόν από μια χρονική άβυσσο. Έτσι στη συνέχεια παρουσιάζονται οι υποθέσεις εκείνες που έχουν γενικότερη αποδοχή από την επιστημονική κοινότητα, και που φαίνεται να τεκμηριώνονται από ορισμένες ενδείξεις 19

20 ΜΙΑ ΠΙΘΑΝΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (συνέχεια) 7.Υπάρχουν μεγάλοι πληθυσμοί από μπλεπράσινα άλγη στις ασβεστολιθικές κοίτες ρηχών θαλασσών, που επιτυγχάνουν καθαρή παραγωγή οξυγόνου. 9.Επικρατεί για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια ο κύκλος: Περισσότερο οξυγόνο λιγότερη υπεριώδης ακτινοβολία περισσότερη πρόσβαση των φυτών στο ορατό φως ανάπτυξη των φυτών περισσότερο οξυγόνο 11.Υπάρχουν θαλάσσιοι οργανισμοί με όστρακα. Το ατμοσφαιρικό οξυγόνο είναι στο 10% του σημερινού. Το όζον είναι σε επίπεδα όπου οι οργανισμοί δεν χρειάζονται τη θάλασσα για να τους προστατεύσει από την υπεριώδη ακτινοβολία. Σταδιακά από την εποχή αυτή και μετά η ζωή εξαπλώνεται στην ξηρά. Χρόνος 2.7 (10 9 έτη πριν από σήμερα) Η ποσότητα του οξυγόνου αυξάνεται με αργό ρυθμό, ενώ παράλληλα δημιουργείται ένα στρώμα όζοντος που απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία. Έτσι ευνοείται η χλωρίδα, που σταδιακά ανέβηκε στα ανώτερα στρώματα του ωκεανού με αποτέλεσμα η μεγαλύτερη πρόσβαση στο ορατό φως να επιτείνει τη φωτοσύνθεση. Ακόμη αυξήθηκε το μέγεθος αλλά και το εύρος των θαλασσίων ειδών που ήταν κατάλληλα για την πρωτόγονη ζωή. 10.Η συγκέντρωση του οξυγόνου φτάνει το 1% των σημερινών τιμών. Νέοι και ικανότεροι οργανισμοί αναπτύχθηκαν που λειτουργούσαν με αερόβια φωτοσύνθεση, ανεβάζοντας τα επίπεδα οξυγόνου και διευρύνοντας τα είδη ζωής. 12.Η ευρεία φωτοσύνθεση οδήγησε το Ο 2 στα σημερινά του επίπεδα. Σε όλη την ιστορία της γης το 40 Κ μεταβαλλόταν με ραδιενεργή διάσπαση σε 40 Ar, το οποίο διαλυόταν αργά στο φλοιό της γης για να γίνει τελικά το τρίτο σε ποσότητα στοιχείο της ατμόσφαιρας, αν και είναι βιολογικά και χημικά αδρανές. 20

21 ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΟΞΥΓΟΝΟΥ- ΟΖΟΝΤΟΣ Παλαιότερα ιζηματογενή πετρώματα ΕΚΑΤΟΜΜΥΡΙΑ ΧΡΟΝΙΑ ΠΡΙΝ ΣΗΜΕΡΑ PRECAMBRIAN CAMBRIAN CARBONIFEROUS TRIASSIC Ο 2 Ο 3 Μπλε-πράσινα φύκια Κύτταρα με πυρήνα Πολυκυτταρικοί οργανισμοί Πολυκυτταρικοί οργανισμοί με όστρακα Φυτά στην ξηρά Ζώα στην ξηρά Θηλαστικά 125 JURASSIC CRETACEOUS Φυτά με άνθη Εξαφάνιση των δεινοσαύρων ΠΟΣΟΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΥ Ο 2 /Ο 3 ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗ ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΤΙΜΗ Διάγραμμα 3. Χρονική εξέλιξη οξυγόνου και όζοντος 21

22 ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΔΙΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗ ΣΗΜΕΡΙΝΗ ( ο C) 10 0 CO 2 ΔΤ ΧΡΟΝΟΣ ΠΡΙΝ ΑΠΟ ΣΗΜΕΡΑ (ΧΙΛΙΑΔΕΣ ΕΤΗ) Διάγραμμα 4. Χρονική εξέλιξη διοξειδίου του άνθρακα 22

23 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΜΕ ΤΟ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΟ ΠΛΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΗΝ ΕΠΟΧΗ ΟΖΟΝ Η περιεκτικότητα σε όζον είναι χαμηλή στον ισημερινό και υψηλή κοντά στους πόλους την άνοιξη κάθε ημισφαιρίου. Εάν η κατανομή οφείλονταν μόνο στις φωτοχημικές αντιδράσεις το μέγιστο θα έπρεπε να συμβαίνει τον Ιούνιο κοντά στον Ισημερινό. Η υπάρχουσα κατανομή αποδίδεται σε μεταφορά που γίνεται το χειμώνα από τα χαμηλά πλάτη (ύψος km) στα υψηλά πλάτη (ύψος km). Εδώ το όζον συγκεντρώνεται κατά την πολική νύκτα και πραγματοποιούνται υψηλές συγκεντρώσεις κατά την άνοιξη. Το είδος της κυκλοφορίας που ευθύνεται για αυτή την μεταφορά είναι ακόμη άγνωστο. Το ανοιξιάτικο πλούσιο σε όζον στρώμα διαταράχτηκε από την τρύπα του όζοντος πάνω από την Ανταρκτική ΥΔΡΑΤΜΟΙ Δεδομένου ότι εξαρτάται από τη θερμοκρασία, συνήθως η συγκέντρωση των υδρατμών είναι μεγαλύτερη στα χαμηλά πλάτη το καλοκαίρι. Βέβαια υπάρχουν πολλές εξαιρέσεις στον κανόνα αυτό όπως για παράδειγμα οι μεγάλες έρημοι ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ Το CO 2 έχει μεγάλη εποχιακή μεταβολή στα υψηλά πλάτη του βορείου ημισφαιρίου, η οποία συνδέεται με τη φωτοσύνθεση και τη σήψη της βιόσφαιρας 23

24 ΠΡΟΣΦΑΤΕΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ Αέριο Συγκέντρωση (1750)* Συγκέντρωση (2004) Επίδραση στην αύξηση της ακτινοβολίας (W/m 2 ) CO ppm ppm 1.66 CH ppb 1730ppb 0.5 N 2 O 270 ppb 319 ppb 0.16 Τροποσφαιρικό O 3 25 ppb 34 ppb 0.35 CFC ppt 0.34 Αιτίες μεταβολής Καύσεις Ορυζώνες, αγελάδες, σκουπιδότοποι Λιπάσματα, καύσεις, μικρόβια Φωτοχημικές αντιδράσεις Φρέον (από 1930) CFC ppt Φρέον (από 1930) CCl ppt CH 3 CCl ppt HCFC ppt HFC ppt C 2 F ppt SF ppt SF 5 CF ppt < * Τα μεγέθη του 1750 προσδιορίζονται κύρια από μετρήσεις φυσαλίδων αέρα οι οποίες παγιδεύτηκαν σε πυρήνες πάγου, όπως συσσωρεύονταν το χιόνι στις πολικές περιοχές 24

25 ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ 360 Συγκέντρωση CO 2 (ppm) Έτος Διάγραμμα 5. Χρονική εξέλιξη διοξειδίου του άνθρακα από το 1960 στην θέση Mauna Loa, Hawaii 25

26 310 ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ N 2 O, CF 2 Cl 2, CH 4 N 2 O CF 2 Cl N 2 O (ppbv) CF 2 Cl 2 (ppbv) ΕΤΟΣ CH 4 (ppmv) CH ΕΤΟΣ * ΧΡΟΝΟΣ (έτη πριν) Διάγραμμα 6. Χρονική εξέλιξη των N 2 O, CF 2 Cl 2, CH 4 26

27 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γραμματικάκης, Γ., Η κόμη της Βερενίκης, Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης, 1992, CC:BY-NC-SA Κουτσογιάννης, Δ. και Θ. Ξανθόπουλος, Τεχνική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 1997, CC:BY-NC-SA Ahrens, C. D., Essentials of Meteorology, An Invitation to the Atmosphere, West Publishing, Minneapolis, 1993, CC:BY-NC-SA Barry, R.G, and R.J. Chorley, Atmosphere, weather and climate, Routledge, New York, 1992, CC:BY-NC-SA McIlveen, R., Fundamentals of Weather and Climate, Chapman, 1992, CC:BY-NC-SA Wallace, J. M., P. V. Hobbs, Atmospheric Science, An Introductory Survey, Academic Press, San Diego, Ca., 1977, CC:BY-NC-SA 27

28 ΣΧΟΛΙΑ (1/7) Η πρώτη ατμόσφαιρα διέφυγε στο διάστημα λόγω της βίαιης δραστηριότητα του νεαρού ηλιακού συστήματος ή της μεγάλης θερμοκρασίας της γης. Πιθανή δημιουργία δεύτερης ατμόσφαιρας με την εκπομπή αερίων από το εσωτερικό της γης (ηφαιστειακή δραστηριότητα). Ενδείξεις για τη διαφυγή της πρώτης ατμόσφαιρας αποτελούν: Η ποσότητα του 36 Ar (10 6 φορές μικρότερη από ότι στο υπόλοιπο ηλιακό σύστημα), δεδομένου ότι δεν φαίνεται να υπάρχει άλλος τρόπος για να διαφύγει αυτό το αδρανές και βαρύ αέριο Το γεγονός ότι και τα άλλα ευγενή αέρια (ήλιο, νέον, ξένον, κρυπτόν) υπάρχουν σε μικρές ποσότητες στην ατμόσφαιρα μας, συγκριτικά με τον ήλιο. 28

29 ΣΧΟΛΙΑ (2/7) Η αρχική γρήγορη εκπομπή των αερίων σχεδόν ολοκληρώνεται. Τα αέρια περιλαμβάνουν υδρατμούς, υδρογόνο, μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα, υδροχλώριο και μοριακό άζωτο. Ένδειξη για την σύνθεση της ατμόσφαιρας εκείνη την εποχή αποτελεί η σημερινή σύνθεση των αερίων των ηφαιστείων (που πιστεύεται ότι ήταν περίπου ίδια με αυτήν της τότε εποχής). Η σύνθεση περιλαμβάνει 80-85% υδρατμούς, 10% CO 2, λίγο άζωτο, θείο ή παράγωγα του θείου (διοξείδιο του θείου και υδρόθειο), ενώ δεν περιλαμβάνει οξυγόνο. 29

30 ΣΧΟΛΙΑ (3/7) Σταδιακά με την πάροδο εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών η γη κρύωσε και οι υδρατμοί που είχαν βγει από το εσωτερικό όλο αυτό το διάστημα συμπυκνώθηκαν και δημιούργησαν σύννεφα. Βροχές έπεφταν στη γη για πολλές χιλιάδες χρόνια και δημιούργησαν αρχαίους ωκεανούς, ποτάμια και λίμνες. Τα ελαφρά μόρια του υδρογόνου απέδρασαν από τοπεδίοβαρύτηταςαφήνονταςτηατμόσφαιρανακυριαρχείταιαπόco 2 καιn 2. Οι μεγάλες ποσότητες CO 2 (ίσως εκατοντάδες φορές από τα σημερινά επίπεδα) κράτησαν τη γη λίγο θερμότερη από ότι είναι σήμερα (παρά το ότι η θερμότητα του νεαρού ηλίου ήταν 30% μικρότερη από τη σημερινή), με την πραγματοποίηση ενός φαινομένου θερμοκηπίου αρκετές φορές μεγαλύτερο από το σημερινό. 30

31 ΣΧΟΛΙΑ (4/7) ΤοατμοσφαιρικόCO 2 έχειμειωθείσημαντικά λόγωτηςδιάλυσηςτουαερίου στους ωκεανούς και την παγίδευσή του μέσα από χημικές και βιολογικές διεργασίες σε ανθρακικούς σχηματισμούς(όπως οι ασβεστόλιθοι) στο φλοιό τηςγηςκαιτονανώτερομανδύα Η μετακίνηση του CO 2 μας προφύλαξε από ένα εκτεταμένο φαινόμενο θερμοκηπίου (όπως αυτό της Αφροδίτης), όταν σταδιακά ο ήλιος αύξησε την εκπεμπόμενη ενέργεια. Έτσι εφόσον το μεγαλύτερο μέρος των υδρατμών είχαν συμπυκνωθεί και το CO 2 είχε μειωθεί σημαντικά, η ατμόσφαιρα σταδιακά έγινε πλούσια σε άζωτο, το οποίο συνήθως δεν είναι χημικά ενεργό. Αυτή την εποχή δεν υπάρχει απόδειξη (από απολιθώματα) για ύπαρξη ζωής, και δεδομένης της απουσίας φωτοσύνθεσης τα επίπεδα του Ο 2 ήταν 10 9 φορές μικρότερα σε σχέση με το σήμερα, προερχόμενα από φωτόλυση του Η 2 Ο και του CO 2 από την υπεριώδη ακτινοβολία Η παραπέρα άνοδος του οξυγόνου ατμόσφαιρα συνδέεται με την εξέλιξη της ζωής στη γη. Πάντως είναι πιθανόν το Ο 2 άρχισε να αυξάνεται σταδιακά όταν η ηλιακή ακτινοβολία διέσπασε του υδρατμούς σε Η και Ο. Το Η που είναι ελαφρύτερο έφυγε στο διάστημα ενώ το Ο έμεινε στην ατμόσφαιρα. 31

32 ΣΧΟΛΙΑ (5/7) Υπάρχουν μεγάλοι πληθυσμοί από μπλε-πράσινη άλγη στις ασβεστολιθικές κοίτες ρηχών θαλασσών, που επιτυγχάνουν καθαρή παραγωγή οξυγόνου. Η ζωή αυτή ήταν θαλάσσια καθώς αρκετά μέτρα νερού ήταν απαραίτητα για να φιλτράρουν την υπεριώδη ακτινοβολία από το απαραίτητο ορατό φως. Αυτές οι πρώτες μορφές ζωής αναπτύχθηκαν σε υδατικό περιβάλλον αρκετά μακριά από την επιφάνεια, ώστε να αποφεύγουν την θανατηφόρα υπεριώδη ακτινοβολία, αλλά και αρκετά κοντά ώστε να δέχονται το ορατό φως που είναι απαραίτητο για την φωτοσύνθεση. 32

33 ΣΧΟΛΙΑ (6/7) Η συγκέντρωση του οξυγόνου φτάνει το 1% των σημερινών τιμών, νέοι και ικανότεροι οργανισμοί αναπτύχθηκαν που λειτουργούσαν με αερόβια φωτοσύνθεση, ανεβάζοντας τα επίπεδα οξυγόνου και διευρύνοντας τα είδη ζωής. Υπάρχουν αποδείξεις μέσα από απολιθώματα για την παρουσία τέτοιων οργανισμών αυτή την εποχή, που χαρακτηρίζονται από την παρουσία πυρήνα σε κάθε κύτταρο. 33

34 ΣΧΟΛΙΑ (7/7) Η ευρεία φωτοσύνθεση οδήγησε το Ο 2 στα σημερινά του επίπεδα. Όλη αυτή την περίοδο το 40 Κ μεταβαλλόταν με ραδιενεργή διάσπαση σε 40 Ar, το οποίο διαλυόταν αργά στο φλοιό της γης για να γίνει τελικά το τρίτο σε ποσότητα στοιχείο της γης, αν και είναι βιολογικά και χημικά αδρανές Στην Carboniferous περίοδο δημιουργήθηκαν υπολείμματα υδρογονανθράκων τα οποία τώρα υποστηρίζουν την ευρεία κατανάλωση των ορυκτών καυσίμων. Είναι πιθανό αυτό να οδήγησε σε προσωρινή μείωση του CO 2 με αποτέλεσμα τη εξασθένιση του φαινομένου του θερμοκηπίου και τη μεγάλη περίοδο των πάγων που συνέβη 0.28 *10 9 έτη πριν. 34

35 ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.