Πληροφορίες σχετικές με το μάθημα

Πληροφορίες σχετικές με το μάθημα Διδάσκοντες: Αλκιβιάδης Μπάης, Καθηγητής Δημήτρης Μπαλής, Επίκ. Καθηγητής Γραφείο: 2 ος όρ. ανατολική πτέρυγα Γραφείο: Δώμα ΣΘΕ. Είσοδος από τον 4 ο όροφο δυτική πτέρυγα μέσα από τον φωταγωγό Βιβλία: Εισαγωγικά μαθήματα στη Φυσική της Ατμόσφαιρας, Χ. Ζερεφού Παπασωτηρίου 2008 Γενική Μετεωρολογία, Χ. Σ. Σαχσαμάνογλου, Τ. Ι. Μακρογιάννη ΖΗΤΗ 1998 Σημειώσεις: Διαφάνειες από τις παραδόσεις στο Internet: http://lap.physics.auth.gr Σύνδεσμοι: Εκπαίδευση Προπτυχιακό Εισαγωγή στη Φυσική της Ατμόσφαιρας Ασκήσεις: Ασκήσεις στην ύλη των κεφαλαίων θα γίνονται κατά τη διάρκεια των παραδόσεων Παραδόσεις: Παρασκευή 10-12 π.μ. Τετάρτη 3-4 μ.μ. Α31 Η παρακολούθηση των παραδόσεων βοηθά στην κατανόηση των θεμάτων και στην αξιολόγηση της σημαντικότητάς τους Εξετάσεις: Τα θέματα των εξετάσεων είναι συνήθως 4. Περιλαμβάνουν συνήθως και μία άσκηση παρόμοια με αυτές που επιλύθηκαν κατά τις παραδόσεις. Εξετάζεται η κατανόηση των βασικών αρχών του μαθήματος Δεν εξετάζονται μακροσκελείς αποδείξεις σχέσεων Αποθαρρύνεται η «παπαγαλία» Οι ασκήσεις βασίζονται σε βασικές σχέσεις που έχουν συζητηθεί στο μάθημα και επιλύονται εύκολα Πριν αρχίσετε να απαντάτε ένα θέμα, σιγουρευτείτε ότι κατανοήσατε το ζητούμενο Επιτυχημένο θεωρείται ένα γραπτό όταν: Οι απαντήσεις είναι ακριβείς και συνοπτικές (επάνω στο ερώτημα και όχι σε όλη τη σχετική παράγραφο) Η λύση των ασκήσεων καταλήγει σε αποτέλεσμα και με σωστές μονάδες (έλεγχος ορθότητας λύσης) Οι σχέσεις συνοδεύονται από επεξήγηση των συμβόλων Τα σχήματα είναι ευκρινή, με άξονες και κλίμακες Ένα φροντισμένο και ευκρινές γραπτό προδιαθέτει θετικά τον βαθμολογητή 1

Εισαγωγή Στόχος του μαθήματος: Μελέτη της ατμόσφαιρας και των βασικότερων ατμοσφαιρικών διεργασιών ώστε να μπορούμε να εξηγήσουμε τα κυριότερα ατμοσφαιρικά φαινόμενα και να κάνουμε απλούς υπολογισμούς ατμοσφαιρικών παραμέτρων. Η ατμόσφαιρα δεν είναι ουδέτερη (παρόλο το Ν 2 ) ούτε αδρανής - είναι ένας ζωντανός οργανισμός Χαρακτηρίζεται από: σύσταση, δομή, φυσικοχημικές ιδιότητες Αλληλεπιδράσεις και διεργασίες: Ατμόσφαιρα Ήλιος, Ωκεανοί, Ξηρά, Βιόσφαιρα (δάση, ζώντες οργανισμοί) Ανταλλαγές ενέργειας (θέρμανση από απορρόφηση ακτινοβολίας, επαφή με το έδαφος, επαφή με τους ωκεανούς, εξάτμιση, υγροποίηση, βροχή ψύξη, κίνηση, χημεία, ηλεκτρισμός) Χημικές διεργασίες (διάσπαση μορίων-ενώσεων, σύνθεση μορίων-ενώσεων, εξαρτώμενες από τις συνθήκες και από τα μέσα) Φυσικές διεργασίες (υγροποίηση Η 2 Ο, νέφη, βροχή, πάγος, κίνηση μαζών) Δυναμικές διεργασίες (περιστροφή της γης, κυκλοφορία του αέρα, κύματα) Βαρύτητα (συμπιέζει την ατμόσφαιρα, εμποδίζει τη διαφυγή της) Στρωματωμένη δομή (επιφέρει κυρίως οριζόντιες κινήσεις) Συμπιεστότητα του αέρα (μεταβολή του όγκου και της συγκέντρωσης) Συνδυασμός όλων των μηχανισμών περίπλοκο σύστημα Γεωφυσικά μεγέθη σχετικά με την ατμόσφαιρα: Ατμοσφαιρική πίεση, θερμοκρασία, πυκνότητα, υγρασία, άνεμος, δυναμική θερμοκρασία, ροή ακτινοβολίας, φασματική ροή ακτινοβολίας, ατμοσφαιρικά κύματα, κ.α. Ύλη του μαθήματος: Δομή και σύσταση της ατμόσφαιρας (ατμοσφαιρική θερμοδυναμική) Διάδοση της ακτινοβολίας (ηλιακή και γήινη) Δυναμική της Ατμόσφαιρας Φυσική του στρώματος το όζοντος 2

Εργαλεία: Σφαιρική γή (φ, λ, z) Μετασχηματισμός dφ, dλ d, dy Γραφική απεικόνιση παραμέτρων: Δύο διαστάσεων (π.χ. μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος) Τριών διαστάσεων (π.χ. κατανομή της θερμοκρασίας σε κάποιο ύψος κατά γεωγραφικό πλάτος και γεωγραφικό μήκος, φασματική ακτινοβολία μέλανος σώματος για διαφορετικές θερμοκρασίες) Γραφική απεικόνιση διακεκριμένων τιμών (με σύμβολα) έναντι απεικόνισης συνάρτησης (συνεχής καμπύλη) Λογαριθμική κλίμακα όταν έχουμε μεγάλο εύρος διακυμάνσεων σε μία μεταβλητή (π.χ. φάσματα, Ι = Ι ο ep(τm); πυκνότητα του αέρα με πίεση Η μεταβολή (σχετική) ενός μεγέθους μεταξύ δύο καταστάσεων εκφράζεται με λόγο ή εκατοστιαία μεταβολή και όχι με διαφορά T1 Τ Τ 1 2 (π.χ. ή *100) T Τ 2 1 Ολοκλήρωμα συνάρτησης (π.χ. Ολοκλήρωμα πυκνότητας του αέρα με το ύψος επιφανειακή πυκνότητα Ολοκλήρωμα φασματική ροής ακτινοβολίας με το μήκος κύματος ολική ροή ακτινοβολίας) Παράγωγος συνάρτησης (τοπική μεταβολή ενός μεγέθους ως προς άλλο) d Τ (π.χ. Μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος σε κάποιο δεδομένο ύψος ) dz ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Κατανόηση όλων των μηχανισμών που διέπουν την ατμόσφαιρα Παραμετροποίηση των μηχανισμών αυτών Ανάπτυξη μοντέλων προσομοίωσης της ατμόσφαιρας Δυνατότητα πρόβλεψης της μελλοντικής ατμόσφαιρας 3

Διάγραμμα δύο διαστάσεων 100 80 ΥΨΟΣ ΑΠΟ ΤΟ ΕΔΑΦΟΣ (km) 60 40 20 0 180 200 220 240 260 280 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ (Κ) Διάγραμμα τριών διαστάσεων 4

Διαγράμματα χωρικής μεταβολής μιας παραμέτρου Κλίμακα Θερμοκρασίας Αέρα (Κ) Θερμοκρασία του Αέρα (Κ) 5

Χρησιμότητα λογαριθμικών αξόνων 0.8 ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΡΟΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ [W m -2 nm -1 ] 0.6 0.4 0.2 0 280 300 320 340 360 ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ [nm] 1 ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΡΟΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ [W m -2 nm -1 ] 0.1 0.01 0.001 0.0001 1E-005 1E-006 280 300 320 340 360 ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ [nm] 6

Έκφραση της ποσότητας των συστατικών στην ατμόσφαιρα Πυκνότητα (ρ): Ο λόγος της μάζας (π.χ., g, mg, μg, κ.λ.π.) ενός συστατικού X προς τον όγκο (π.χ., m 3, cm 3, litre, κ.λ.π.) που καταλαμβάνει αυτό (π.χ., g m -3, mg cm -3, kg litre -1, κ.λ.π.) m ρ = V Αριθμητική πυκνότητα (N): Ο αριθμός των μορίων ενός συστατικού Χ ανά μονάδα όγκου αέρα (μόρια cm -3 ). N nn V = A air όπου: n είναι τα mole του συστατικού X, * Και τα δύο μεγέθη εξαρτώνται από την θερμοκρασία και την πίεση επειδή μεταβάλλουν τον όγκο ενώ ο αριθμός των μορίων παραμένει ο ίδιος. (π.χ. σε ένα μπαλόνι με αέριο που ανεβαίνει μεταβάλλεται ο όγκος λόγω μεταβολής της πίεσης και της θερμοκρασίας) 7

Συγκέντρωση Εκφράζει την ποσότητα ενός συστατικού που περιέχεται σε έναν όγκο προς την συνολική ποσότητα των συστατικών στον ίδιο όγκο. Η ποσότητα μπορεί να είναι μάζα, όγκος ή αριθμός μορίων. Αναλογία μίγματος (C ): Ο αριθμός των mole ενός συστατικού X ανά mole αέρα, ή ο λόγος του όγκου του συστατικού προς τον όγκο του αέρα. C = όπου: n είναι τα mole του συστατικού X, n air είναι το σύνολο των mole του αέρα C C C ppm n 6 ( ) = 10 1 ppm = 1 μmol/mol nair ppb n 9 ( ) = 10 1 ppb = 1 nmol/mol nair ppt n 12 ( ) = 10 1 ppt = 1 pmol/mol nair * Η αναλογία μίγματος ενός αερίου δεν μεταβάλλεται όταν αλλάζουν η πίεση ή η θερμοκρασία (π.χ. σε ένα μπαλόνι με αέριο που ανεβαίνει η πίεση και θερμοκρασία αλλάζουν, όμως το C παραμένει σταθερό) n n air Αναλογία μίγματος επί τοις εκατό = C %X m C% = 100% m όπου: m είναι η μάζα του συστατικού X σε συγκεκριμένο όγκο, m air είναι η μάζα του αέρα στο ν ίδιο όγκο air 8

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

ΔΙΑΦΥΓΗ ΑΕΡΙΩΝ ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ Προϋπόθεση για διαφυγή ενός μορίου: Κινητική ενέργεια > δυναμική ενέργεια 1 2 2 mv mgr > V 2gr δ = Ανεξάρτητη του m Για r = 6370 km: 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 10-23 J K -1 ) Τ = θερμοκρασία (Κ -1 ) m = μάζα (kg) V π = 2kT m Εξάρτηση από m, Τ Κινητική θεωρία (κατανομή Mawell) Ταχύτητα V Ποσοστό σωματίων 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 = 10.76 km s -1 V δ ~ 3.5 V π 10

Η ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΤΗΣ ΓΗΣ Αρχική σύσταση 4.5 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 70 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Θερμοκρασία 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

Μικροβιακή εποχή 2 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 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

Βιολογική εποχή Απόσυρση CO 2 μέσω δέσμευσής του στις ανθρακικές ενώσεις (οξείδωση) Αύξηση Ο 2 μέσω της φωτοσύνθεσης και των αεροβικών οργανισμών 0.5 1.0 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

Σύσταση της ατμόσφαιρας (κύρια και δευτερεύοντα συστατικά) Αέριο ΜΒ (%) κατ όγκο N 2 28.013 78.08 O 2 32.000 20.95 Ar 39.95 0.93 Ξηρός αέρας CO 2 44.01 0.036 Όλα τα άλλα αέρια 0.004 Η 2 Ο 18.02 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

Ατμοσφαιρικά συστατικά σε ίχνη με περιβαλλοντική σημασία Χημικό συστατικό Αναλογία μείγματος mol/mol άλλες μονάδες Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) (0.1-20) 10-6 100 ppb - 20 ppm Μεθάνιο (CH 4 ) 1.72 10-6 1.72 ppm Όζον (O 3 ) (1-100) 10-9 1-100 ppb Μονοξείδιο του αζώτου (NO) (0.005-1) 10-9 5 ppt-1ppb Διοξείδιο του αζώτου (NO 2 ) (1-150) 10-9 1-150 ppb Υποξείδιο του αζώτου (N 2 O) 310 10-9 310 ppb Αμωνία (NH 3 ) (0-0.5) 10-9 0-0.5 ppb Διοξείδιο του θείου (SO 2 ) (1-100) 10-9 1-100 ppb CFCl3 (Freon 11) 0.2 10-9 200 ppt CF2Cl2 (Freon 12) 0.35 10-9 350 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

ΤΥΠΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Συστατικό Αναλογία μείγματος Κατακόρυφη στην τροπόσφαιρα κατανομή Διεργασίες ελέγχου Ν 2 78.08% Ομογενής Κατακόρυφη ανάμειξη Ο 2 20.95% Ομογενής Κατακόρυφη ανάμειξη Η 2 Ο 0.10-5% Ελαττώνεται απότομα Εξάτμιση, υγροποίηση, στην τροπόσφαιρα μεταφορά, παραγωγή Αυξάνεται στη από οξείδωση CH 4 στρατόσφαιρα μεγάλη μεταβλητότητα Ar 0.93% Ομογενής Κατακόρυφη ανάμειξη CO 2 370 ppm Ομογενής Κατακόρυφη ανάμειξη, παραγωγή στο έδαφος με αυξητική τάση από ανθρωπογενείς Ο 3 10-50 ppb Αυξάνεται απότομα στη στρατόσφαιρα (10 ppm) μεγάλη μεταβλητότητα CH 4 1.7 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 40-70 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-12 0.2 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