Αρχές Οικολογίας και Περιβαλλοντικής Χηµείας Φαινόµενο θερµοκηπίου Μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος Νίκος Μαµάσης Τοµέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθήνα 014 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Aγωγή (conduction) Η µεταφορά θερµότητας πραγµατοποιείται από µόριο σε µόριο, ενώ η ταχύτητα µεταφοράς, εξαρτάται από την δοµή των µορίων του υλικού (καλοί-κακοί αγωγοί θερµότητας) Mεταγωγή (convection) Η µεταφορά θερµότητας πραγµατοποιείται µε µετακίνηση µαζών (π.χ αέρα ή νερού) Aκτινοβολία (radiation) Όλα τα αντικείµενα µε θερµοκρασία µεγαλύτερη από το απόλυτο µηδέν εκπέµπουν ακτινοβολία, η οποία προέρχεται από την ισχυρή ταλάντωση των ηλεκτρονίων των µορίων. Η ακτινοβολία ταξιδεύει µε την ταχύτητα του φωτός υπό τη µορφή κυµάτων που απελευθερώνουν ενέργεια όταν απορροφώνται από κάποιο σώµα. Ορισµένα από τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας είναι: Τα µεγαλύτερα µήκη κύµατος µεταφέρουν λιγότερη ενέργεια Το εκπεµπόµενο µήκος κύµατος εξαρτάται από την θερµοκρασία του αντικειµένου Τα αντικείµενα µε µεγάλη θερµοκρασία εκπέµπουν περισσότερη ακτινοβολία Τα θερµότερα αντικείµενα εκπέµπουν σε ευρύτερη περιοχή του φάσµατος σε σχέση µε τα ψυχρότερα 1
ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Ενέργεια ακτινοβολίας Η ενέργεια που µεταφέρεται µε ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία σχεδόν ποτέ δεν είναι ενός συγκεκριµένου µήκους κύµατος (µονοχρωµατική), αλλά αποτελείται από ένα σύνολο µονοχρωµατικών ακτινοβολιών. Η κατανοµή της ενέργειας ακτινοβολίας σε συνάρτηση µε το µήκος κύµατος ονοµάζεται φάσµα. Η ακτινοβολία στις διάφορες περιοχές του φάσµατος (κάθε περιοχή αντιστοιχεί σε ένα διάστηµα τιµών του µήκους κύµατος), έχει συγκεκριµένες ιδιότητες. Για παράδειγµα η ορατή ακτινοβολία αντιστοιχεί στην περιοχή µε µήκη κύµατος από 0.39 έως 0.7 µm (ιώδες και ερυθρό αντίστοιχα) Ηλεκτροµαγνητικό φάσµα Τυπικό µήκος κύµατος (µm) Ακτίνες Γάµα 10-7 10-4 10-1 0.5 10 3 10 6 10 8 Ακτίνες Χ Υπεριώδης Ορατό φως Υπέρυθρο Μικροκύµατα Τηλεόραση Ραδιοκύµατα λ=0.64 µm λ=0.60 µm λ=0.57 µm λ=0.53 µm λ=0.50 µm λ=0.47 µm λ=0.43 µm ΜΟΝΟΧΡΩΜΑΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Νόµος του Planck Η ένταση µονοχρωµατικής ακτινοβολίας που εκπέµπεται από µελανό σώµα σε µήκος κύµατος λ, εξαρτάται αποκλειστικά από τη θερµοκρασία του σώµατος και δίδεται από τη σχέση: Ε bλ = c 1 / [λ 5 (e c /λτ - 1)] όπου: c 1 = 3.74 *10-16 W m c = 1.44*10 - m K λτοµήκοςκύµατοςσε m T η θερµοκρασία του σώµατος σε Kelvin ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΕΝΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Νόµος των Stefan-Boltzman Η ένταση ακτινοβολίας µελανού σώµατος δίδεται από τη σχέση: E b =στ 4 όπου: σσταθερά 5.67*10 8 W m Κ 4 T η θερµοκρασία του σώµατος σε βαθµούς Κelvin Η παραπάνω σχέση προκύπτει από την ολοκλήρωση της σχέσης του Planck σε όλο το πεδίο ορισµού του µήκους κύµατος. Η ένταση ακτινοβολίας έχει µονάδες ισχύος ανά επιφάνεια,καισυνήθωςυπολογίζεταισε W m - 1.E+14 Νόµος της µετατόπισης του Wien (displacement law) Η µέγιστη ένταση ακτινοβολίας µελανού σώµατος εκπέµπεται σε συγκεκριµένο µήκος κύµατος, το οποίο δίδεται από τη σχέση: λ m = 897 / T όπου: λ m τοµήκοςκύµατοςσεµm T η θερµοκρασία του σώµατος σε Κelvin ΜΟΝΟΧΡΩΜΑΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (W*m - *m -1 ) 8.E+13 λ = 1 E( W* m ) = E bλ λ= 0.5 6.E+13 1 c1 Ebλ ( W* m * m ) = c 4.E+13 5 λt λ ( e 1).E+13 0.E+00 0 0.5 1 1.5.5 3 3.5 4 4.5 ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (µm)
ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ - ΕΚΠΟΜΠΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΠΟ ΜΟΡΙΑ Κάθε µόριο κατέχει µία ποσότητα ενέργειας, εκτός από αυτή που οφείλεται στην κίνησή του στο χώρο. Αυτή η ενέργεια περιλαµβάνει τρεις κύριες µορφές: Κινητική και ηλεκτροστατική δυναµική ενέργεια από ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα κάθε ατόµου Ενέργεια που συνδέεται µε την δόνηση των ατόµων γύρω από τη µέση θέση τους Ενέργεια που συνδέεται µε την περιφορά των µορίων γύρω από το κέντρο βάρους τους Η κβαντοµηχανική προβλέπει ότι για κάθε µόριο επιτρέπονται συγκεκριµένες τροχιές ηλεκτρονίων, εύρος δονήσεων και ρυθµός περιστροφής. Κάθε πιθανός συνδυασµός των τριών µπορεί να προσδιοριστεί µε ένα επίπεδο ενέργειας το οποίο είναι το άθροισµα των τριών ενεργειών. Κάθε µόριο ανεβαίνει ή κατεβαίνει σε κάποιο επίπεδο ενέργειας απορροφώντας ή εκπέµποντας ακτινοβολία. Η θεωρία προβλέπει συγκεκριµένες µετακινήσεις στα επίπεδα οι οποίες παραµένουν ίδιες στην εκποµπή και στη λήψη. εδοµένου ότι ένα µόριο απορροφά και ακτινοβολεί ενέργεια σε διαχωρισµένες ποσότητες (που αντιστοιχούν στις επιτρεπόµενες αλλαγές στο επίπεδο ενέργειας του), συνεπάγεται ότι µπορεί να αντιδράσει µε ακτινοβολία που έχει συγκεκριµένα µήκη κύµατος ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΗΛΙΟΥ ΚΑΙ ΓΗΣ ΦΑΣΜΑ ΜΕΛΑΝΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ (5800 Κ) ΕΝΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ: 6.3*10 7 W m - ΦΑΣΜΑ ΜΕΛΑΝΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ (88 Κ) ΕΝΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ: 390 W m - Μονοχρωµατική ακτινοβολία (W*m-*µm-1) 8*10 13 6*10 13 4*10 13 *10 13 Μονοχρωµατική ακτινοβολία (W*m-*µm-1).4*10 7 1.8*10 7 1.*10 7 0.6*10 7 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 3
ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ - ΓΗΙΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 1 0 O O 3 O 3 H O H O H O CO H O O 3 O H O CO CO CO O H O.0 Ηλιακή ακτινοβολία από µελανό σώµα στους 6000 Κ 1.0 0.5 Εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της γης 0. 0.1 0.05 0.0 Εξερχόµενη γήϊνη ακτινοβολία από την κορυφή της ατµόσφαιρας Γήϊνη ακτινοβολία από µελανό σώµα στους 90 Κ 0.01 0.005 0.00 0.001 0.1 0. 0.5 1.0.0 5.0 10 0 50 100 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΠΛΑΝΗΤΩΝ CO ΑΦΡΟ ΙΤΗ Σχετική ένταση ακτινοβολίας H O O 3 CO ΓΗ CO ΑΡΗΣ 8 10 14 0 4
ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΗΣ ΓΗΣ ΙΑΣΤΗΜΑ ΒΡΑΧΕΑ ΚΥΜΑΤΑ ΜΑΚΡΑ ΚΥΜΑΤΑ 19 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ από το Ο 3 απ τα σύννεφα από τους υδρατµούς και τη σκόνη ΩΚΕΑΝΟΙ, Ε ΑΦΟΣ Εισερχόµενη 100 ηλιακή ακτινοβολία Εξερχόµενη ακτινοβολία βραχέων και µακρών κυµάτων 100 6 0 4 6 64 51 ιάχυση απ την ατµόσφαιρα Ανάκλαση απ τα σύννεφα ηλιακής ακτινοβολίας απ την επιφάνεια Ανάκλαση απ την επιφάνεια 117 Εκποµπή µακρών κυµάτων απ την επιφάνεια και εκποµπή απ τα αέρια θερµοκηπίου και εκποµπή (CO, H O κ.ά.) απ τα σύννεφα 111 96 Ροή αισθητής θερµότητας (αγωγή, κατακόρυφη µεταφορά) µακρών κυµάτων απ την επιφάνεια 7 Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος (1997) Ροή λανθάνουσας θερµότητας (εξατµιση, διαπνοή) 3 ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΓΗΣ ΧΩΡΙΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΕΙΣΕΡΧΟΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΙΣΧΥΣ (1-ρ)*ΕΝ Γ *π*r Γ ΙΣΧΥΣ ΓΗΙΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΕΞ Γ *4*π*R Γ ΕΝ Γ Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας στη γη =1390 W/m ρ Ανακλαστικότητα γης=0.30 R Γ Ακτίνα γης (1-ρ)*ΕΝ Γ *π*r Γ =ΕΞ Γ *4*π*R Γ ΕΞ Γ =(1/4)*(1-ρ)*ΕΝ Γ =43 w/m EΞ Γ = σ Τ 4 σ η σταθερά Stefan-Boltzman που ισούται µε 5.67*10 8 W m Κ 4 T η θερµοκρασία του σώµατος σε βαθµούς Κelvin ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΓΗΣ 56 ο Κ 5
ΟΝΟΜΑ-ΟΓΚΟΣ (%) ΙΟΞΕΙ ΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ (CO ) 0.035% ΑΕΡΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (1) ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΓΗΪΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 Συγκέντρωση C0 (µέρη στο εκατοµµύριο) ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ 360 350 340 330 30 310 1958 196 1966 1970 1974 1978 198 1986 1990 Έτος Υ ΡΑΤΜΟΙ (H O) 0-4% 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 1.75 ΜΕΘΑΝΙΟ (CH 4 ) 0.00017% CH 4 (ppmv) 1.50 1.5 1.00 0.75 0.50 10 4 5*10 3 10 3 500 00 100 50 10 ΧΡΟΝΟΣ (έτη πριν) 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 ΟΝΟΜΑ-ΟΓΚΟΣ (%) ΑΕΡΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ () ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΓΗΪΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 310 ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΞΕΙ ΙΟ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ (Ν Ο) 0.00003% N O (ppbv) 300 90 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 80 1750 1800 1850 1900 1950 000 ΕΤΟΣ 0.3 ΧΛΩΡΟΦΘΟΡΑΝ- ΘΡΑΚΕΣ (CFCs) 0.00000001% CF Cl (ppbv) 0. 0.1 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 0.0 1750 1800 1850 1900 1950 000 ΕΤΟΣ OZON (O 3 ) 0.000004% 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 6
Αέριο ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΠΡΟΣΦΑΤΕΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ Συγκέντρωση (1750)* Συγκέντρωση (004) Επίδραση στην αύξηση της ακτινοβολίας (W/m ) CO 80 ppm 377.3 ppm 1.66 CH 4 688 ppb 1730 ppb 0.5 N O 70 ppb 319 ppb 0.16 Τροποσφαιρικό O 3 5 ppb 34 ppb 0.35 CFC-11 0 53 ppt 0.34 Αιτίες µεταβολής Καύσεις Ορυζώνες, αγελάδες, σκουπιδότοποι Λιπάσµατα, καύσεις, µικρόβια Φωτοχηµικές αντιδράσεις Φρέον (από 1930) CFC-1 0 545 ppt Φρέον (από 1930) CCl 4 0 93 ppt CH 3 CCl 3 0 3 ppt HCFC- 0 174 ppt HFC-3 0 14 ppt C F 6 0 3 ppt SF 6 0 5. ppt 0.00 SF 5 CF 3 0 0.1 ppt < 0.0001 * Τα µεγέθη του 1750 προσδιορίζονται κύρια από µετρήσεις φυσαλίδων αέρα οι οποίες παγιδεύτηκαν σε πυρήνες πάγου, όπως συσσωρεύονταν το χιόνι στις πολικές περιοχές ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ N O, CF Cl, CH 4 CH 4 (ppmv) Συγκέντρωση CO (ppm) 360 1.75 1.50 1.5 1.00 CO 350 340 330 30 310 1958 196 1966 1970 1974 1978 198 1986 1990 Έτος CH 4 N O (ppbv) 310 300 90 80 1750 1800 1850 1900 1950 000 ΕΤΟΣ CF Cl (ppbv) 0.3 0. 0.1 N O CF Cl 0.75 0.50 10 4 5*10 3 10 3 500 00 100 50 10 ΧΡΟΝΟΣ (έτη πριν) 0.0 1750 1800 1850 1900 1950 000 ΕΤΟΣ 7
100 km 80 km 00 km 10 km ΦΩΤΟΪΟΝΙΣΜΟΣ N, O, O Μονοχρωµατική ακτινοβολία ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 M.K. < 0.1µm Π.Η.Ε. = 0.0003% Π.Α. = 100% Μονοχρωµατική ακτινοβολία ΦΩΤΟ ΙΑΣΠΑΣΗ Ο Ο + Υ.Α. =Ο 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 M.K. 0.1-0. µm Π.Η.Ε. = 0.01% Π.Α. = 100% 60 km 40 km 0 km ΦΩΤΟ ΙΑΣΠΑΣΗ Ο 3 Ο 3 + Υ.Α. = Ο + Ο Μονοχρωµατική ακτινοβολία 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 M.K. 0.-0.31 µm Π.Η.Ε. = 1.75% Π.Α. = 100% ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΟΖΟΝΤΟΣ Ο + Ο + Μ = Ο 3 + Μ Μήκος κύµατος M.K. Ποσοστό ηλιακής ενέργειας Π.Η.Ε. Ποσοστό απορρόφησης Π.Α. ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗ ΟΖΟΝΤΟΣ ΑΠΟ ΝΟ Χ, ΝΟ, ΝΟ, Cl, ClO Cl + O 3 = ClO + O ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΠΟ ΣΥΝΝΕΦΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΠΟ Υ ΡΑΤΜΟΥΣ Ε ΑΦΟΣ Μονοχρωµατική ακτινοβολία M.K. 0.31-0.7 µm Π.Η.Ε. = 45% Μονοχρωµατική ακτινοβολία M.K. >0.7 µm Π.Η.Ε. = 53% 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 Π.Α. = 17% 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗΣ ΟΖΟΝΤΟΣ 1. Φωτοδιάσπαση του όζοντος Ο 3 +υπεριώδηςακτινοβολία Ο + O Το όζον είναι ισχυρός απορροφητής της υπεριώδους ακτινοβολίας (0.-0.3 µm) διαµέσου της φωτοδιάσπασης. ιάσπαση του όζοντος Περικλείει µια επανασύνδεση µε το ατοµικό οξυγόνο µε τη βοήθεια καταλύτη (ένα υδροξύλιο) Η + Ο 3 ΟΗ +Ο και ΟΗ +ΟΗ+Ο άρα Ο3 +Ο Ο 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 ) και ρίζες χλωρίου (Cl, ClO). Τα πρώτα προέρχονται από το Ν 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 (Cl + O 3 ) ClO + O CO + ClO ClO και Cl + O 3 ClO + O OH + O 3 HO + O και οι δύο αντιδράσεις οδηγούν στην αφαίρεση του όζοντος και του ατοµικού οξυγόνου 8
ΤΟ ΟΖΟΝ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Χρονική εξέλιξη όζοντος Πηγή: Solomon, S. Stratospheric ozone depletion: a review of concepts and history, Reviews of Geophysics, 37, 3, pp 75 316, 1999 ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΟΖΟΝ (Dobson units) 350 300 50 00 150 100 50 ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΟΖΟΝΤΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ (1956-1995) (µετρήσεις Halley Bay, Ανταρκτική) 0 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 ΕΤΟΣ 9
ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ Πηγή: NASA ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ Η µείωση του όζοντος στην Ανταρκτική στις 11/9/1999 όπως φαίνεται από δορυφόρους της NASA (τα χαµηλά επίπεδα φαίνονται µε µπλε). Η τρύπα αναπτύσσεται µεταξύ τέλος Αυγούστου και αρχών Οκτωβρίου 1/10/1995 13/10/1995 14/10/1995 15/10/1995 ορυφορικές φωτογραφίες της µείωσης του όζοντος από 1-15/10/1995. Με σκούρο µπλε το κρίσιµο όριο της συγκέντρωσης (10-40 µονάδες Dobson) 10
ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΟΖΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΕΝΩΣΕΩΝ ΧΛΩΡΙΟΥ Πηγή: Christopherson, 000 11