Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Lasers και Εφαρμογές τους στο Περιβάλλον Κεφάλαιο 1 Αλέξανδρος Δ. Παπαγιάννης
Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειτα σε άδειες χρήσης Crea%ve Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.
7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1. Δομή και σύσταση της γήινης ατμόσφαιρας 1.1 Σύσταση της γήινης ατμόσφαιρας Αρχική σύσταση (~4.6 δισεκατομμύρια χρόνια): CO 2, N 2, H 2 O, H 2 Μακροχρόνιες διεργασίες: Ξηρά-Ωκεανοί-Αέρια Ατμόσφαιρας Τελική σύσταση (~ 400 εκατομμύρια χρόνια) Μίγμα αερίων ή μίγμα ξηρού αέρα και υδρατμών Ν 2 + Ο 2 +Ar 99.97% + H 2 O (χαμηλότερα στρώματα) Πίνακας 1.1: Σύνθεση ατμοσφαιρικού αέρα. Αέριο Ογκομετρική Σύνθεση Άζωτο (N 2 ) 78.09 Οξυγόνο (O 2 ) 20.95 Αργόν (Ar) 0.93 Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) ~0.03 Νέον (Ne) 1.8x10-3 Ήλιον (He) 5.24x10-4 Κρυπτόν (Kr) 1.0x10-4 Υδρογόνο (H 2 ) 5.0x10-5 Ξένο (Xe) 8.0x10-6 Όζον (O 3 ) 1.0x10-6 Ραδόνιο (Rn) 6x10-18 1.2 Δομή της γήινης ατμόσφαιρας α) Η Τροπόσφαιρα Εκτείνεται από το έδαφος έως την τροπόπαυση η οποία ευρίσκεται σε ύψος 10-18 χλμ. (~200-90 hpa) ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή του χρόνου
8 (πχ. 6-8 χλμ. ύψος στους Πόλους, 12 χλμ. στα μέσα γεωγραφικά πλάτη και ~18 χλμ. ύψος στον Ισημερινό) (Εικόνα 1.1). Η τροπόσφαιρα περιέχει περίπου το 85-90 % της μάζας της ατμόσφαιρας και χαρακτηρίζεται από: - τη μείωση της θερμοκρασίας με την αύξηση του ύψους [τυπική τιμή θερμοβαθμίδας (lapse rate) = -9.7 Κ / km για τον ξηρό αέρα], - δυναμική αστάθεια (τυρβώδης ατμόσφαιρα) - την έντονη κατακόρυφη ανάμιξη των αερίων μαζών της με παράλληλη διανταλλαγή ενέργειας, λόγω κατακόρυφης μεταφοράς. Εικόνα 1.1. Η κατακόρυφη δομή της γήινης ατμόσφαιρας. β) Η Στρατόσφαιρα Εκτείνεται από την τροπόπαυση έως τη στρατόπαυση (~ 45-55 χλμ. ύψος). Η στρατόσφαιρα χαρακτηρίζεται από:
9 - την αύξηση της θερμοκρασίας με την αύξηση του ύψους, που ισχύει όμως για ύψη > 20 χλμ. (λόγω έντονης απορρόφησης της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας από το στρώμα του όζοντος μεταξύ 200 και 300 nm), - την σχεδόν τέλεια απουσία υδρατμών, - την ελάχιστη κατακόρυφη ανάμιξη των αερίων μαζών της. Η στρατόσφαιρα παρουσιάζει μια περιοχή (~ 11-20 χλμ. στα μέσα γεωγραφικά πλάτη), όπου η θερμοκρασία παραμένει σταθερή με το ύψος. Η στρατόσφαιρα περιέχει περίπου το 90% του ατμοσφαιρικού όζοντος. Ο τυπικός χρόνος παραμονής μιας αέριας μάζας που έχει προέλθει από την τροπόσφαιρα είναι της τάξης των 1-3 χρόνων. 2. Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα (ΑΟΣ) 2.1 Ορισμός Σαν ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα ορίζεται το κατώτερο τμήμα της τροπόσφαιρας που επηρεάζεται άμεσα από την παρουσία της γήινης επιφάνειας και στο οποίο η μορφολογία του εδάφους επιδρά με χρονική κλίμακα το πολύ μιας ώρας. Επιδράσεις στο ΑΟΣ: - Διάδοση θερμότητας (θέρμανση εδάφους-ηλιοφάνεια) - Εκπομπή αέριων ρύπων - Μορφολογία (ανάγλυφο) εδάφους - Μετεωρολογικές συνθήκες (ύπαρξη μετώπων, θαλάσσια-απόγειος αύρα)
10 Εικόνα 1.2 Τυπική ημερήσια μεταβολή της δομής του ΑΟΣ υπεράνω ξηράς στην περίπτωση ύπαρξης ενός βαρομετρικού υψηλού συστήματος. Διακριτές Περιοχές του ΑΟΣ: 1. Στρώμα Ανάμιξης (Mixed Layer) Δημιουργία οργανωμένων αερίων αζών (thermals) λόγω μεταφοράς θερμότητας από τα χαμηλότερα στα υψηλότερα ατμοσφαιρικά στρώματα updrafts (ανερχόμενες θερμές αέριες μάζες που ψύχονται) Ελεύθερη συναγωγή (free convection) downdrafts (κατερχόμενες ψυχρές αέριες μάζες που θερμαίνονται) Εξαναγκασμένη συναγωγή (forced convection) Εικόνα 1.3. Οι ανοδικές και καθοδικές κινήσεις των αερίων μαζών στην περίπτωση των thermals στο ΑΟΣ (ιδεατές συνθήκες).
11 Εικόνα 1.4. Κατακόρυφη τομή του ΑΟΣ όπου φαίνεται η κατακόρυφη δομή των thermals. Εικόνα 1.5. Πραγματικές παρατηρήσεις των ανοδικών και καθοδικών κινήσεων των αερίων μαζών στην περίπτωση των thermals στο ΑΟΣ όπως μετρήθηκαν με σύστημα lidar. 2. Εναπομένον Στρώμα (Residual Layer) - Δημιουργείται 30 πριν τη δύση του ήλιου
12 - Ευρίσκεται μεταξύ σταθερού οριακού στρώματος και της κορυφής ΑΟΣ (entrainment zone) - Ουδέτερα στρωματοποιημένο (ομοιόμορφη διάχυση ρύπων) 3. Σταθερό Οριακό Στρώμα (Stable Boundary Layer) - Δημιουργείται κατά τη διάρκεια της νύχτας - Υπαρξη θερμών αερίων μαζών πάνω από ψυχρό έδαφος. Εικόνα 1.6. Πραγματικές παρατηρήσεις των ανοδικών και καθοδικών κινήσεων των αερίων μαζών στην περίπτωση των thermals στο ΑΟΣ όπως μετρήθηκαν με σύστημα wind lidar (www.tropos.de): επάνω: οπισθοσκεδαζόμενο σήμα lidar, κάτω: κατακόρυφη ταχύτητα ανέμου. Πάχος του ΑΟΣ: - Ηλιοφάνεια (θέρμανση εδάφους) - Ώρα της ημέρας (θέρμανση εδάφους) - Ανάγλυφο-μορφολογία του εδάφους - Ύπαρξη αέριων μαζών που κινούνται οριζόντια (μέτωπα, θαλάσσια αύρα, κλπ.).
13 Εικόνα 1.7 Τυπική ημερήσια μεταβολή της δομής του ΑΟΣ υπεράνω ξηράς στην περίπτωση ύπαρξης ενός βαρομετρικού υψηλού συστήματος στην περιοχή της βαλτιμόρης των ΗΠΑ. Η κόκκινη συνεχής γραμμή δεικνύει το ύψος του ΑΟΣ (12:00-21:00 UTC). Πηγή: http://alg.umbc.edu/usaq/images/lidar20090919.jpg Πάχος ΑΟΣ (Θαλάσσιο < Επίγειο) Απαιτούνται συστήματα με χρονική διακριτικη ικανότητα της τάξης μερικών δεκάδων δευτερολέπτων (LIDAR, SODAR, κλπ.). 3. ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Πηγές αιωρούμενων σωματιδίων - Πηγές καύσης (καύση ορυκτών καυσίμων, σημεία εναπόθεσης απορριμάτων, βιομηχανική δραστηριότητα, κυκλοφοριακό) - Ηφαιστειακή δραστηριότητα (εκτίναξη έως τη στρατόσφαιρα) - Περιοχές ερήμων (έρημος Sahari, Gobi, ) - ωκεανοί (μόρια NaCl) - Χωματουργικά έργα, αιολική διάβρωση, - Άλλες πηγές (βιομηχανική επεξεργασία υλικών, κλπ.).
14 Σύσταση αιωρούμενων σωματιδίων Ανάλογα με την πηγή προέλευσής τους. - Θαλάσσια προέλευση NaCl πυρήνες συμπύκνωσης (CCN) - Επίγεια προέλευση: Έρημοι (άλατα πυριτίου και σιδήρου) Βιομηχανία (αιθάλη, οργανικά σωματίδια, νιτρικά άλατα) Καύση βιομάζας (δάση) (αιθάλη) Καύση ορυκτών καυσίμων τέφρα (BC: black carbon) Ηφαίστεια (θειϊκά άλατα) Direct Effect Indirect Effect Direct Effect (Σκέδαση) (Δημιουργία νεφών) (Απορρόφηση) Θειϊκά Πυρήνες συμπύκνωσης Τέφρα Εικόνα 1.5 Διάφορα φαινόμενα αλληλεπίδρασης ηλιακής ακτινοβολίας και αιωρούμενων σωματιδίων.
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικόυ έργου του διδάσκοντα Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την 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 εθνικού πόρους.