ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΕΡΑΣ ΜΙΓΜΑ ΑΕΡΙΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΤΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ ΑΤΜΟΣΦ. ΑΕΡΑ Νόμος των τελείων αερίων (καλή προσέγγιση για τον ατμοσφαιρικό αέρα) (μέσο) μοριακό βάρος ατμοσφ. αέρα σταθερά ατμοσφ. αέρα ΚαταστατικήΕξίσωση ειδικός όγκος
ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΕΡΑΣ ΜΙΓΜΑ ΑΕΡΙΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΤΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ ΑΤΜΟΣΦ. ΑΕΡΑ για συγκεκριμένο αέριο συστατικό -i μερικών πιέσεων ορίζω (m i /m: αναλογία μίγματος μάζας συστατικού -i) ΚΑΤΑΣΤΑΤΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ ΜΙΓΜΑΤΟΣ ΑΤΜΟΣΦ. ΑΕΡΑ Ειδική σταθερά μίγματος ατμοσφ. αέρα
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΜΕΣΗΣΥΝΘΕΣΗ ΑΕΡΑ ΤΩΝ ΚΑΤΩΤΕΡΩΝ 100km ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΤΗΣ ΓΗΣ Αέριο Σταθερά Αέρια Άζωτο (Ν 2 ) Οξυγόνο (Ο 2 ) Αργόν (Ar) Νέο (Ne) Ήλιο (He) Κρυπτό (Kr) Ξένο (Xe) Μεταβλητά Αέρια Υδρατμοί (H 2 O) Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Μεθάνιο (CH 4 ) Όζον (Ο 3 ) Επί τοις εκατό (%) 78.08 20.95 0.93 0.0015 0.0005 0.0001 0.000005 το κατεξοχήν μεταβλητό αέριο στην ατμόσφαιρα της Γης 0.00001-4.0 0.1-40.000 0.0360 0.00017 0.000003-0,001 ΑναλογίαΜίγματοςκατ όγκο (ως προς τον ξηρό ατμοσφαιρικό αέρα) Μέρη ανά εκατομμύριο όγκου (ppmv) 780,800 209,500 9,300 15 5 1 0.05 360 1.7 0.03-10 99% σύσταση κατά μάζα σύσταση κατ όγκο (π.χ.. [Ο[ 2 ]=23.17%, [Ν[ 2 ]=75.55%) 75.55 % κατά μάζα 23.17 % κατά μάζα δηλ. της ομοιόσφαιρας Ar Ν 2 Ο 2 CO 2 Ne He (ρόλος μοριακού βάρους αερίων)
Άζωτο ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Ηαέρια φάση του παράγεται μέσω βιολογικών (βακτηριδιακών) διεργασιών στο έδαφος απονιτροποίηση (νιτρικά άλατα-ιόντα) αζωτοποίηση (υπό την παρουσία βακτηριδίων σε αερόβια περιβάλλοντα) Το άζωτο (Ν 2 ) είναι ένα ουσιαστικό συστατικό του DNA, του RNA, των αμινοξέων και των πρωτεϊνών, που είναι οι δομικές μονάδες της ζωής. Όλοι οι οργανισμοί απαιτούν το άζωτο για να ζήσουν και να αυξηθούν. ΝΟ 3 - Ν 2 (υπό την παρουσία βακτηριδίων που ανάγουν νιτρικά ιόντα σε άζωτο σε αναερόβια εδάφη, δηλ. ελλειμματικά σε οξυγόνο) ΝΟ 2 - ΝΗ 4 + (νιτρώδη άλατα-ιόντα) (αμμωνιακά κατιόντα) καταστροφή κύρια διαδικασία παραγωγής Ν 2 : χημικά αδρανές σε Κ.Σ. πρακτικά σταθερή συγκέντρωση στην ατμόσφαιρα της Γης Ν 2 απορρόφηση Ν 2 από βακτήρια και μετατροπή του σε αμμωνία με μεταβολισμό (μετατροπή σε αμμωνία) διαδικασία νιτρικής σταθεροποίησης (αζώτου) φυσικές διαδικασίες (αστραπές, δασικές πυρκαγιές, λάβα) διαδικασία ορυκτοποίησης συμμετοχήσε χημικές αντιδράσεις (μικρής σημασίας) τα μόριά του έχουν πολύ σταθερούς (τριπλούς) δεσμούς μεταξύ των ατόμων τους) το μεγαλύτερο μέρος του αζώτου στην ατμόσφαιρα είναι μη διαθέσιμο προς άμεση χρήση από τους οργανισμούς στηνπραγματικότητα, προκειμένου τα φυτά και τα ζώα να το χρησιμοποιήσουν, το άζωτο πρέπει πρώτα να μετατραπεί σε μια χημικά διαθέσιμη μορφή όπως το αμμώνιο (NH 4 +), το νιτρικό άλας (NO 3 -), ή το οργανικό άζωτο (π.χ. η ουρία -(NH 3 ) 2 CO) οκύκλος του αζώτου αέρια ρύπανση αέριο φαινομένου θερμοκηπίου
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Οκύκλος του αζώτου
Οξυγόνο ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Ηαέρια φάση του παράγεται: (i) κυρίως μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης του πρασίνου ξηράς & θάλασσας (ii) μέσω φωτοχημικής διάσπασης μορίων νερού με υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία Φωτοσύνθεση (χρειάζεται ορατή ηλιακή ακτινοβολία) ηδιαδικασία που μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε οργανικές ενώσεις, ειδικά σάκχαρα, χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια αμυλούχες ενώσεις υπό την παρουσία πρασινοχρωστικής χλωροφύλλης Το οξυγόνο (Ο 2 ) είναι πολύ σημαντικό για τη συντήρηση των έμβιων οργανισμών (αναπνοή) και για τη δημιουργία της στοιβάδας του όζοντος. (30%) (70%) CO 2 + H 2 O + solar energy ---> (CH 2 O)n + O 2 σεφυτά-δέντρα-φύκια-βακτήρια γλυκόζη παραγωγή 6CO 2 +6 Η 2 Ο+hv C 6 H 12 O 6 +6O 2 φωτόνιο Φωτόλυση (χρειάζεται υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία) Φωτόλυση 2H 2 O + UV 4H + O 2 2Ν 2 O + UV 4Ν + O 2 Κύριεςδιαδικασία απομάκρυνσης από την ατμόσφαιρα Η 2 Ο CO 2 αναπνοή αποσύνθεση (σήψη) οργανικής ύλης αποσάθρωση πετρωμάτων φωτοσύνθεση sugar φυτοπλανγκτό O 2
Οξυγόνο ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Ηαέρια φάση του παράγεται: (i) κυρίως μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης του πρασίνου ξηράς & θάλασσας (ii) μέσω φωτοχημικής διάσπασης μορίων νερού με υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία φωτοσύνθεση ηδιαδικασία που μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε οργανικές ενώσεις, ειδικά σάκχαρα, χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια αμυλούχες ενώσεις υπό την παρουσία πρασινοχρωστικής χλωροφύλλης Το οξυγόνο (Ο 2 ) είναι πολύ σημαντικό για τη συντήρηση των έμβιων οργανισμών (αναπνοή) και για τη δημιουργία της στοιβάδας του όζοντος. (30%) (70%) CO 2 + H 2 O + solar energy ---> (CH 2 O)n + O 2 σεφυτά-δέντρα-φύκια-βακτήρια γλυκόζη παραγωγή 6CO 2 +6 Η 2 Ο+hv C 6 H 12 O 6 +6O 2 CO 2 φωτοσύνθεση sugar φυτοπλανγκτό O 2 φωτόνιο Φωτόλυση 2H 2 O + UV 4H + O 2 2Ν2 O + UV 4Ν + O 2 Η 2 Ο Ar και άλλα αέρια (Ne, He, Kr, Xe) σταθεράχημικά αδρανή αέρια σταθερή αναλογία μίγματος
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Οξυγόνο πλανητική κατανομή της φωτοσύνθεσης, συμπεριλαμβανομένου φυτοπλαγκτόν των ωκεανών και της βλάστησης των ηπείρων της Γης
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Οξυγόνο Οκύκλος του οξυγόνου παραγωγή 4FeO + O 2 2Fe 2 O 3 καταστροφή Το περισσότερο οξυγόνο της Γης βρίσκεται στη λιθόσφαιρά της Στην ατμόσφαιρά της υπάρχει λίγο ελεύθερο οξυγόνο
Υδρατμοί παραγωγή ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ εξάτμιση (έδαφος, λίμνες, ποτάμια, θάλασσες) εξάχνωση διαπνοή (κυρίως από τα φύλλα των φυτών) αέριας φάσης χημικές αντιδράσεις 85% του συνόλου καταβόθρες συμπύκνωση (σε υγρή φάση) επικάθηση (σε στερεή φάση) μεταφορά στη θάλασσα και σε άλλες επιφάνειες αέριες χημικές αντιδράσεις μεταβαλλόμενη αναλογία μίγματος υδρατμών ανάλογα με: θερμοκρασία τοποθεσία Οι περισσότεροι υδρατμοί βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια της Γης και τον Ισημερινό ανώτερη ατμόσφαιρα πολύ υγρές περιοχές πολύ ξηρές περιοχές γραμμοσκιασμένεςπεριοχές: απόλυτη υγρασία υδρατμών (ρ υ ) πόλοι Ισοπληθείς αναλογίας μίγματος μάζας υδρατμών (r υ σε g/kg) (ρ υ =r υ *ρ d ) υ: υδρατμοί ξ: ξηρός αέρας σημασία υδρατμών: π.χ. Ισημερινός - Πόλοι μεγάλη υγρασία μικρή υγρασία δημιουργίανεφών φαινόμενοθερμοκηπίου χημικόαντιδραστήριο μεταφορά λανθάνουσας θερμότητας (ενεργειακό ισοζύγιο)
Υδρατμοί ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Υετίσιμο ύδωρ (precipitablewater) αναλογία μείγματος υδρατμών ποσότωνυδρατμώνσεκατακόρυφηστήλη ατμόσφαιρας (σε mm) Οι συνολικοί υδρατμοί της ατμόσφαιρας που περιλαμβάνονται σε μιακατακόρυφη στήλη τηςατμόσφαιρας, με μοναδιαία διατομή, που εκτείνεται μεταξύ δύο (οποιωνδήποτε) συγκεκριμένων επιπέδων, που εκφράζεται συνήθως μέσωτου ύψους που θα σχημάτιζε (καταλάμβανε) η ουσία του νερού (υδρατμοί) εάν συμπυκνωνόταν εντελώς και συλλεγόταν σε ένα δοχείο της ίδιας μοναδιαίας διατομής (δηλ. εάν έπεφτεστο έδαφος μέσω υετού, δηλ. βροχόπτωσης, χιονιού, χαλαζιού) Συνολικό υετίσιμο ύδωρ (total precipitable water) μεγάλες τιμές (υγρή ατμόσφαιρα) μικρές τιμές (ξηρή ατμόσφαιρα) Αλλάζειγρήγορα με το χρόνο: http://www.examiner.com/atlantic-hurricanes-in-national/satellite-loop-movie-72-hours-of-total-precipitable-water-and-trmm http://www.zamg.ac.at/eumetrain/eumetrain2006/severe_convection/tpw.htm
Υδρατμοί ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Παράδειγμακατακόρυφης κατανομής υδρατμών στην ατμόσφαιρα μέτρηση κατακόρυφης κατανομής υδρατμών με ραδιοβόλιση μικρές τιμές ησυγκέντρωση των υδρατμών μειώνεται γρήγορα με το ύψος στην ατμόσφαιρα περιοχή με μεγάλη μεταβλητότητα αναλογία μείγματος όγκου υδρατμών
Υδρατμοί ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Σημασία των υδρατμών για τη δημιουργία των νεφών: Νέφη ανωμεταφοράς (convective clouds) Στη Γη ηουσία της συμπύκνωσης είναι οι υδρατμοί, που διαμορφώνουν, πάνω σε σωματίδια που είναι γνωστά ως πυρήνες συμπύκνωσης νεφών, μικρά σταγονίδια ή τους μικρούς κρυστάλλους πάγου, χαρακτηριστικών διαστάσεων διαμέτρου 0.01 χιλ.. Όταν περιβάλλονταιι από δισεκατομμύρια άλλων σταγονίδιων ή κρυστάλλων γίνονται ορατά ως σύννεφο Στρωματόμορφανέφη (stratiform clouds)
Υδρατμοί ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Σημασία των υδρατμών για το φαινόμενο του θερμοκηπίου: Το φυσικό φαινόμενο του θερμοκηπίου ανθρωπογενές φαινόμενο του θερμοκηπίου Ένταση του φυσικού φαινομένου του θερμοκηπίου συγκράτηση υπέρυθρης ακτινοβολίας αυξημένη συγκέντρωση αερίων χωρίς αυτό, η θερμοκρασία στην επιφάνεια της Γης θα ήταν περίπου 33 χαμηλότερη από ό,τι είναι σήμερα (δηλ. 255Κ) )! αύξηση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της Γης κατά τα τελευταία 250 έτη κατά περίπου 1 1!!! (από( ανθρωπογενή αίτια)
Υδρατμοί ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ σημασίατων υδρατμών για το φαινόμενο του θερμοκηπίου: Το φυσικό φαινόμενο του θερμοκηπίου Συμμετοχή αερίων φαινομένου θερμοκηπίου στην έντασή του αριθμοί συνεχώς επαναθεωρούμενοι και ανανεούμενοι H 2 O : ΤΟ ΚΥΡΙΟΤΕΡΟ ΑΕΡΙΟ ΓΙΑ ΤO ΦΥΣΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ CO 2 : ΤΟ ΚΥΡΙΟΤΕΡΟ ΑΕΡΙΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΙΔΕΙΝΩΣΗ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ
Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) παραγωγή καταβόθρες ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ κυτταρική εκπνοή φυτών/δέντρων (CH 2 O)n + O 2 ---> CO 2 + n(h 2 O) + energy βιολογική αποσύνθεση νεκρού οργανικού υλικού (π.χ. από βακτήρια) εξάτμισηαπό θάλασσες ηφαίστεια (π.χ. πυρκαγιές) καύση οργανικής ύλης καύση ορυκτών καυσίμων (ανθρωπογενές φαινόμενο θερμοκηπίου) φωτοσύνθεση διάλυσηστο νερό (θαλασσών, βροχοσταγόνων) αντίστροφη διαδικασία της φωτοσύνθεσης (υπό την παρουσία ενζύμων στα κύτταρα) Αναλογία μείγματος CO 2 (ppmv) Έχειμεταβαλλόμενη αναλογία μίγματος Mauna Loa Observatory!!! εποχικήμεταβολή -φωτοσύνθεση (μείωση) - βιολογική αποσύνθεση (αύξηση) Έτος φαινόμενοθερμοκηπίου Ιδανικό παρατηρητήριο για την εξέλιξη της συγκέντρωσης του CO 2 Ομη διαταραγμένος αέρας, η απομακρυσμένη τοποθεσία, καθώς και οι ελάχιστες επιρροές της βλάστησης και της ανθρώπινης δραστηριότητας είναι ιδανικές για την παρακολούθηση συστατικών της ατμόσφαιρας, που μπορούν να προκαλέσουν την αλλαγή του κλίματος
Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ κυτταρική εκπνοή φυτών/δέντρων ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ-ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ CO 2 Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ CO 2
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) Ηαύξηση της συγκέντρωσης του CO 2 στην ατμόσφαιρα Εκπομπές ρόλος φωτοσύνθεσης για την εποχική μεταβολή του CO 2 (ανάπτυξη φυτών την άνοιξη και το θέρος) ανάπεριοχή Mauna Loa Observatory (Hawaii, 3397m)
Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Monitoring at: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/mlo.html Ηαύξηση της συγκέντρωσης του CO 2 στην ατμόσφαιρα ηκατάσταση τα τελευταία 50 χρόνια February 2011: 391.76 ppm... και η κατάσταση τα τελευταία 5 χρόνια η αύξηση της συγκέντρωσης του CO2 συνεχίζεται... παρά τις προσπάθειες για τον έλεγχο του φαινομένου του θερμοκηπίου
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) Ηαύξηση της συγκέντρωσης του CO 2 στην ατμόσφαιρα ανάτύπο Εκπομπές ανάχώρα
αναλογία μείγματος CO 2 (ppmv) εποχική μεταβολή - φωτοσύνθεση ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ μειούμενες τιμές για άνοιξη-θέρος καλή συσχέτιση μεταξύ CO 2 -θερμοκρασίας θερμοκρασιακή μεταβολή σχέση CO 2 -T συγκέντρωση CO 2 πληροφορία από πυρήνες πάγου και γεωλογικά δεδομένα ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ CO 2 = 100 200 ΕΤΗ Μεγάλη αύξηση μετά τη βιομηχανική επανάσταση!!! Ρόλος ορυκτών καυσίμων ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΜΕΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΤΗΣ ΓΗΣ περίπου 280 ppmv
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Μεταβολή CO 2 κατά τα τελευταία 400.000 χρόνια... εποχέςπαγετώνων... και ο ρόλος του για το κλίμα της Γης σημαντικήσυσχέτιση θερμοκρασίας και CO 2
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Παράδειγμακατακόρυφης κατανομής CO 2 στην ατμόσφαιρα (Σιβηρία, 1996) Γενικά, δεν υπάρχει μεγάλη μεταβολή με το ύψος Μικρότερες τιμές κατά το θέρος Μεγαλύτερεςτιμές το χειμώνα ΡΟΛΟΣΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗΣ Το καλοκαίρι, οι τιμές κοντά στην επιφάνεια είναι μικρότερες από ότι ψηλότερα (ρόλος βλάστησης)
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Μεθάνιο (CH 4 ) παραγωγή (ή φυσικό αέριο) επιχωματώσεις, έλη, χωνευτήρια, καλλιέργειες ρυζιού μεθανογένεση απόβακτήρια, σε αναερόβιο περιβάλλον, που καταναλώνουν οργανική ύλη αποσύνθεση απολιθωμένου άνθρακα στο έδαφος ότανδιαφεύγει (φυσικό αέριο) καύση βιομάζας στην ατμόσφαιρα υποπροϊόν ατμοσφαιρικών χημικών αντιδράσεων εκπομπή από ηφαίστεια βραδείεςχημικές αντιδράσεις καταβόθρες ξηρή εναπόθεση στο έδαφος έχειμεταβαλλόμενη αναλογία μίγματος φαινόμενοθερμοκηπίου (τώρα, περίπου 1.7 ppmv στην κατώτερη ατμόσφαιρα ήταν 0.8ppmv στα μέσα του 18ου αιώνα) αύξησησυγκέντρωσης CH 4 συμβολή του στο φαινόμενο του θερμοκηπίου Το CH 4 απορροφά ισχυρότερα (κατά 20 φορές) υπέρυθρη ακτινοβολία από ό,τι το CO 2 όμως έχει μικρότερη αναλογία μίγματος από το CO 2 σημαντικό αέριο φαινομένου του θερμοκηπίου και άρα, έχει μικρότερη συμμετοχή στο φαινόμενο του θερμοκηπίου απότο CO 2 (προκαλεί κατακράτηση 0.48 W m -2 υπέρυθρης ακτινοβολίας έναντι 1.46 W m -2 που προκαλεί το CO 2, σε σύνολο 2.7 W m -2 ) Το CH 4 έχει ισχυρή επίδραση για σύντομο χρονικό διάστημα (χρόνος ζωής 10 έτη) Το CO 2 έχει μικρότερη επίδραση για μεγάλο χρονικό διάστημα (χρόνος ζωής 100 έτη)
Μεθάνιο (CH 4 ) ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Πλανητική κατανομή συγκέντρωσης CH 4 στην ανώτερη τροπόσφαιρα για τα έτη 2003-2005 μεγαλύτερη συγκέντρωση CH 4 στο βόρειο ημισφαίριο πιο έντονες διαδικασίες παραγωγής Τομεθάνιο δημιουργείται κοντά στην επιφάνεια της Γης, κυρίως στο έδαφος, τα ποτάμια / θάλασσες
Μεθάνιο (CH 4 ) ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Μέση πλανητική συγκέντρωση CH 4 Σταθεροποίηση συγκέντρωσης CH 4 κατά τα τελευταία έτη (μικρός χρόνος ζωής 10 έτη) διαχρονική μεταβολή συγκέντρωσης μεθανίου όμως, εκ νέου αύξηση CH 4 προς το τέλος της δεκαετίας! αύξηση
Όζον (Ο 3 ) παραγωγή με: παραγωγή καταστροφή ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ παράγεται φωτοχημικά δεν εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα παίζει πολύ σημαντικό ρόλο για την ύπαρξη ζωής στη Γη (στρώμα όζοντος) φωτόλυση μοριακού οξυγόνου στη Στρατόσφαιρα (με ακτινοβολία UV-Β) ΕΥΕΡΓΕΤΙΚΟ φωτόλυση οξειδίων του αζώτου (NO x ), CO και πτητικών οργανικώνενώσεων (VOCs) κοντά στην επιφάνεια της Γης (ρύπος) ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΟ O 2 + hν ---> 2O O 2 + Ο + Μ ---> O 3 + Μ O 3 + hν ---> O 2 + Ο μόριο τρίτου σώματος (προστασία από υπεριώδη ακτινοβολία) κλειστός κύκλος καταστροφής ακτινοβολίας UV! ρόλος Ο 3 για την εμφάνιση/διατήρηση της ζωής στη Γη τυπικές αναλογίες μείγματος Ο 3 : 0.1 ppmv στον αστικό αέρα 0.04 ppmv στον υπαίθριο επιφανειακό αέρα 10 ppmv στο στρατοσφαιρικόαέρα κατακόρυφη κατανομή αναλογιών μείγματος όγκου διαφόρων ιχνοστοιχείων στην ατμόσφαιρα της Γης
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Όζον (Ο 3 ) Κατακόρυφη κατανομή O 3 στην ατμόσφαιρα της Γης στρατόσφαιρα μέση πλανητική κατανομή χαμηλή τροπόσφαιρα πλανητική κατανομή καθ ύψος
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Όζον (Ο 3 ) Κατανομή O 3 στην ατμόσφαιρα Ολικό όζον (τροποσφαιρικό+στρατοσφαιρικό) Τροποσφαιρικό όζον (Ιούνιος-Ιούλιος-Αύγουστος 1979-2000) Ozone haze in Houston Τρύπατου όζοντος
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Όζον (Ο 3 ) Κατανομή O 3 στην τροπόσφαιρα Τροποσφαιρικό όζον Εποχική Κατανομή
ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Ηθερμοκρασία του αέρα είναι ανάλογη προς τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων του ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ 3 2 k 1 2 2 βt = Μ υ α (σχετίζεται με τη μικροσκοπική κίνηση των μορίων των αερίων και την πίεση που εξασκούν) k β =1.3807x10-23 Kg m 2 s -2 K -1 ανά μόριο, σταθερά Boltzmann M=4.8096x10-26 Kg ανά μόριο, μέση μάζα ενός μορίου αέρα υ α = μέση θερμική ταχύτητα ενός μορίου αέρα σε m s -1
ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΟΜΟΙΟΣΦΑΙΡΑ υψηλή ατμόσφαιρα μέση ατμόσφαιρα χαμηλή ατμόσφαιρα Υψόμετρο (Km) Στρώμα Όζοντος Μεσόπαυση Στρατόπαυση Τροπόπαυση Θερμόσφαιρα Μεσόσφαιρα Στρατόσφαιρα Τροπόσφαιρα Πίεση (mb) Θερμοβαθμίδα: Γ=dT/dz (lapse rate) ΕΛΕΥΘΕΡΗΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΑ 1000 m ΟΡΙΑΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Θερμοκρασία ( Κ) Όμως, η δομή είναι πιο περίπλοκη, π.χ. το ύψος της τροπόπαυσης μεταβάλλεται με το γεωγραφικό πλάτος (αυξάνεται από τους πόλους προς τον Ισημερινό)
ΟΡΙΑΚΟ ΣΤΡΩΜΑ - ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΑ Είναιτο κατώτερο τμήμα της ατμόσφαιρας, σε επαφή με το έδαφος, οι ιδιότητες του οποίου (ταχύτητα ανέμου, θερμοκρασία, υγρασία) μεταβάλλονται γρήγορα (τύρβη) στρωτή ροή ταχύτητα ελεύθερη ροή (τροπόσφαιρα) τυρβώδης ροή ταχύτητα Οριακό Στρώμα (ΟΣ) το τμήμα της Τροπόσφαιρας που επηρεάζεται από την επιφάνεια της Γης και τον ημερήσιο κύκλο της ηλιακής ακτινοβολίας και που ανταποκρίνεται στις επιφανειακές μηχανικές επεμβάσεις σε μια κλίμακα χρόνου τάξεως 1 ώρας χαρακτηρίζεται από σημαντική μεταβολή της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της ημέρας και μεταξύ ημέρας-νύχτας ΟριακόΣτρώμα επιφάνεια Ασταθές ΕλεύθερηΤροπόσφαιρα επηρεάζεται, επίσης, από την επιφάνεια της Γης, αλλά σε μεγαλύτερη κλίμακα χρόνου χαρακτηρίζεται από λιγότερο σημαντική μεταβολή της θερμοκρασίας εξάρτηση θερμοκρασίας ατμοσφαιρικού ΟΣ (ΑΟΣ) από: (i) ειδικές θερμότητες εδάφους-αέρα (ii) διαδικασίες μεταφοράς ενέργειας (αγωγή, ακτινοβολία, μηχανική ανατάραξη, θερμική ανατάραξη, μεταφορά)
ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ - ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ Ουσία Ξηρός αέρας σε σταθερή πίεση Υγρή φάση νερού Πηλός Ξηρά άμμος ειδική θερμότητα (σε J Kg -1 K -1 ) Ειδική Θερμότητα (J Kg -1 K -1 ) 1004.67 4185.5 1360 827 Θερμική Αγωγιμότητα σε 298Κ (J m -1 s -1 K -1 ή W m -1 K -1 ) 0.0256 0.6 0.920 0.298 ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΕΙΔ. ΘΕΡΜ. ΜΕΤΑΞΥ: ΕΔΑΦΟΥΣ-ΝΕΡΟΥ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΤΥΠΩΝ ΕΔΑΦΟΥΣ c άμμου-πηλού <c νερού το έδαφος θερμαίνεται/ψύχεται πιο γρήγορα από το νερό c άμμου <c πηλού η άμμος θερμαίνεται/ψύχεται πιο γρήγορα από τον πηλό k d 0.023807+7.1128 x 10-5 (T α -273.16) εξάρτηση από: θερμικήαγωγιμότητα ρυθμός ροής θερμοβαθμίδα ενέργειας (ΔQ/Δt)(1/A) Η c = -k d (ΔT/Δz) είναι μεγάλος στα παρεδάφια στρώματα και μικρότερος στα ανώτερα στρώματα θερμική αγωγιμότητα ξηρού αέρα (σε J m -1 s -1 K -1 ) προσδιορίζει το ρυθμό αγωγής θερμότητας ενός υλικού θερμοκρασία αέρα ποσοτικοποιείτο ρυθμό ροής θερμικής ενέργειας διαμέσου του υλικού υπό την παρουσία μιας συγκεκριμένης (μοναδιαίας) θερμοβαθμίδας ΕΞΙΣΩΣΗ ΔΙ ΑΓΩΓΗΣ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗΣ ΡΟΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ κατακόρυφη μεταφορά ενέργειας στον αέρα λόγω αγωγιμότητας (σε W m -2 ) μεγάλη κοντά στο έδαφος / μικρή πιο ψηλά θερμική αγωγιμότητααέρα (σε J m -1 s -1 K -1 )
ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ σημαντική διεργασία μεταφοράς ενέργειας ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ (χωρίς την παρουσία υλικού μέσου, π.χ. αέρα) ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (σε μικρότερα μήκη κύματος) εκπέμπεται από τον Ήλιο (υπάρχει στη γήινη ατμόσφαιρα μόνον κατά τη διάρκεια του φωτιζό- μενου τμήματος της ημέρας) ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (σε μεγαλύτερα μήκη κύματος) εκπέμπεται από τη Γη και την ατμόσφαιρά της (υπάρχει στη γήινη ατμόσφαιρα ημέρα και νύχτα)
ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ προκαλεί μεταφορά ανάμειξη ατμοσφαιρικών ιδιοτήτων ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΕΛΕΥΘΕΡΗ προκαλείται από Μηχανικάμέσα (π.χ. μηχανική ανατάραξη ή τύρβη) προκαλείται από ΘερμικήΑνατάραξη (Άνωση) προκαλείται από μηχανικά αίτια (μέσα): (i) Άνεμοι που πνέουν πάνω από ανώμαλες επιφάνειες και προκαλούν στροβίλους (δίνες) (ii) Άνεμοι που πνέουν πάνω από τοπογραφικά εμπόδια (βουνά-λόφοι, νησιά κλπ) (iii) Μέτωπα καιρού (iv) Σύγκλιση οριζοντίων αερίων μαζών δημιουργία στροβίλων (δινών) προκαλείταιαπό : Διαφορετικό ρυθμό θέρμανσης (απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας) από τόπο σε τόπο εξαιτίας: (i) ύπαρξης βουνών-λόφων-νεφών, (ii) διαφορετικής κλίσης επιφανειών εδάφους θερμαινόμενος αέριος θύλακας ανύψωση - διαστολή αερίου θύλακα σύγκλιση γειτονικού αέρα σύγκλιση γειτονικού αέρα μεταφορά θερμότητας από το ηλιόλουστο έδαφος στον υπερκείμενο αέρα ΕΔΑΦΟΣ Ηελεύθερη κατακόρυφη μεταφορά συμβαίνει ευκολότερα πάνω από ξηρά και ιδιαίτερα όταν ο ουρανός είναι αίθριος και οι άνεμοι ασθενείς
ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑ οριζόντιος άνεμος είναι αντίστοιχη της κατακόρυφης μεταφοράς μεταφέρει ενέργεια και συμβαίνει όχι μόνο σε μικρή κλίμακα, αλλά και σε συνοπτική και πλανητική κλίμακα ΑΛΛΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΟΡΙΑΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ικανότητα εκπομπής ακτινοβολίας της επιφάνειας (π.χ. για άμμο: 0.84-0.91, πηλό: 0.9-0.98) μικρότερες τιμές από τον πηλό βραδύτερη ψύξη τη νύχτα ανακλαστικότητα ακτινοβολίας της επιφάνειας (λευκαύγεια-albedo) (π.χ. για ξηρή άμμο: 0.2-0.4, πηλό: 0.05-0.2) μεγαλύτερεςτιμές από τον πηλό βραδύτερη θέρμανση την ημέρα αντίθεταθερμικά αποτελέσματα από αυτά της ειδικής θερμότητας (που είναι μικρότερη για την άμμο)!!! Γιατί λοιπόν οι έρημοι είναι θερμές την ημέρα και ψυχρές τη νύχτα?? (ημέρα: έλλειψη νερού στο έδαφος) (νύχτα: έλλειψη νερού στον αέρα) διάρκεια ημέρας (π.χ. μεγάλες ημέρες ισχυρότερη θέρμανση του ΑΟΣ) κατολίσθηση αέρα συστήματα υψηλών πιέσεων μεγάλης κλίμακας (δημιουργούν μακράς κλίμακας θερμοκρασιακή αναστροφή κατολίσθησης) αναστροφήθερμοκρασίας
10% του ΟΣ Υψόμετρο (Km) ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΟΡΙΑΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ Μεταβολή Θερμοκρασίας σε ένα ΑΟΣ πάνω από ξηρά υπό συνθήκες συστήματος υψηλών πιέσεων θερμοκρασιακή αναστροφή κατολίσθησης (υπο αντικυκλωνικές συνθήκες) ΗΜΕΡΑ 0.5-3 km Ελεύθερη τροπόσφαιρα 0.5-3 km Στρώμααναστροφής ΖΩΝΗ ΕΙΣΧΩΡΗΣΗΣ έντονη βαθμίδα ανέμου/θερμοκρασίας θέρμανση εδάφους λόγω απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας Θερμοκρασία Ημέρας Στρώμα νέφους Υπόστρωμα νέφους Ουδέτεροαναμεμειγμένο Στρώμα ανατάραξης (ή στρώμα ανάμειξης) Επιφανειακόστρώμα ασταθές (α) ευσταθές Οριακό στρώμα Υψόμετρο (Km) Aναστροφή ΔΙΑΦΟΡΑΗΜΕΡΑΣ-ΝΥΧΤΑΣ (θερμοκρασιακό προφίλ) ΝΥΧΤΑ Ελεύθερη τροπόσφαιρα Στρώμααναστροφής ΖΩΝΗ ΕΙΣΧΩΡΗΣΗΣ Ουδέτερο υπολειπόμενο στρώμα Ευσταθέςοριακό στρώμα Επιφανειακόστρώμα ευσταθές Θερμοκρασία Νύχτας (β) ευσταθές ΔΙΑΦΟΡΑ ΜΕΤΑΞΥ ΘΑΛΑΣΣΙΟΥ-ΗΠΕΙΡΩΤΙΚΟΥ ΟΡΙΑΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ το θαλάσσιο οριακό στρώμα επηρεάζεται περισσότερο από συστήματα πιέσεων παρά από μηχανική/θερμική ανατάραξη Οριακό στρώμα ψύξη εδάφους λόγω εκπομπής ακτινοβολίας
ΟΡΙΑΚΟ ΣΤΡΩΜΑ εικόνατης ατμόσφαιρας υπό αντικυκλωνικέςσυνθήκες κατά τη διάρκεια μιας θερινής ημέρας νέφη ευστάθεια αστάθεια (ανάμιξη) οι υδρατμοί και τα αιωρούμενα σωματίδια μπλοκάρονται μέσα στο οριακό στρώμα λόγω της θερμοκρασιακής αναστροφής ΕΛΕΥΘΕΡΗΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΑ επίπεδοθερμοκρασιακής αναστροφής ΟΡΙΑΚΟΣΤΡΩΜΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΗΑΝΑΣΤΡΟΦΗ British Columbia, Canada, 17/01/2009 (πάνω από το οριακό στρώμα)