Αρχές Οικολογίας και Περιβαλλοντικής Χηµείας Φαινόµενο θερµοκηπίου Μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος Νίκος Μαµάσης Τοµέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθήνα 11 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
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 *1-16 W m c = 1.44*1 - m K λ το µήκος κύµατος σε m T ηθερµοκρασία του σώµατος σε Kelvin ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΕΝΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Νόµος των Stefan-Boltzman Η ένταση ακτινοβολίας µελανού σώµατος δίδεται από τη σχέση: E b = σ Τ 4 όπου: σ σταθερά 5.67*1 8 W m Κ 4 T ηθερµοκρασία 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, και συνήθως υπολογίζεται σε 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 το µήκος κύµατος σε µm T ηθερµοκρασία του σώµατος σε Κelvin ΜΟΝΟΧΡΩΜΑΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (W*m - *m -1 ) 8.E+13 λ = 1 E( W* m ) = E bλ λ=.5 6.E+13 1 c1 Eb λ( W * m * m ) = c 4.E+13 5 λt λ ( e 1).E+13.E+.5 1 1.5.5 3 3.5 4 4.5 ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (µm) ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Ενέργεια ακτινοβολίας Ηενέργειαπουµεταφέρεται µε ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία σχεδόν ποτέ δεν είναι ενός συγκεκριµένου µήκους κύµατος (µονοχρωµατική), αλλά αποτελείται από ένα σύνολο µονοχρωµατικών ακτινοβολιών. Ηκατανοµή 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.39 έως.7 µm (ιώδες και ερυθρό αντίστοιχα) Ηλεκτροµαγνητικό φάσµα Τυπικό µήκος κύµατος (µm) 1-7 1-4 1-1.5 1 3 1 6 1 8 Ακτίνες Γάµα Ακτίνες Χ Υπεριώδης Ορατό φως Υπέρυθρο Μικροκύµατα Τηλεόραση Ραδιοκύµατα λ=.64 µm λ=.6 µm λ=.57 µm λ=.53 µm λ=.5 µm λ=.47 µm λ=.43 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 µετηνδόνησητωνατόµων 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 (58 Κ) ΕΝΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ: 6.3*1 7 W m - ΦΑΣΜΑ ΜΕΛΑΝΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ (88 Κ) ΕΝΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ: 39 W m - Μονοχρωµατική ακτινοβολία (W*m-*µm-1) 8*1 13 6*1 13 4*1 13 *1 13 Μονοχρωµατική ακτινοβολία (W*m-*µm-1).4*1 7 1.8*1 7 1.*1 7.6*1 7..4.6.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 5 1 15 5 3 35 4 45 5 3
Ροή ενέργειας (cal*cm - *min -1 *µm -1 ) Απορροφητικότητα. 1..5..1.5..1.5. 1 O O 3 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ - ΓΗΙΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ O 3 H O H H O O CO H O O 3 O H O CO CO CO O Ηλιακή ακτινοβολία από µελανό σώµα στους6 Κ Εισερχόµενηηλιακήακτινοβολία στην επιφάνεια της γης H O Εξερχόµενη γήϊνη ακτινοβολία από την κορυφή της ατµόσφαιρας Γήϊνη ακτινοβολία από µελανό σώµα στους9 Κ.1.1..5 1.. 5. 1 5 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΠΛΑΝΗΤΩΝ CO ΑΦΡΟ ΙΤΗ Σχετική ένταση ακτινοβολίας H O O 3 CO ΓΗ CO ΑΡΗΣ 8 1 14 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 1 ηλιακή ακτινοβολία Εξερχόµενη ακτινοβολία βραχέων και µακρών κυµάτων 1 6 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 Ροή αισθητής θερµότητας (αγωγή, κατακόρυφη µεταφορά) 96 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 =139 W/m ρ Ανακλαστικότητα γης=.3 Ακτίνα γης R Γ (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 ησταθεράstefan-boltzman που ισούται µε 5.67*1 8 W m Κ 4 T ηθερµοκρασία του σώµατος σε βαθµούς Κelvin ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΓΗΣ 56 ο Κ 5
ΟΝΟΜΑ-ΟΓΚΟΣ (%) ΙΟΞΕΙ ΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ (CO ).35% ΑΕΡΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (1) ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΓΗΪΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 5 1 15 5 3 35 4 45 5 Συγκέντρωση C (µέρη στο εκατοµµύριο) ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ 36 35 34 33 3 31 1958 196 1966 197 1974 1978 198 1986 199 Έτος Υ ΡΑΤΜΟΙ (H O) -4% 5 1 15 5 3 35 4 45 5 1.75 ΜΕΘΑΝΙΟ (CH 4 ).17% CH 4 (ppmv) 1.5 1.5 1..75.5 1 4 5*1 3 1 3 5 1 5 1 ΧΡΟΝΟΣ (έτη πριν) 5 1 15 5 3 35 4 45 5 ΟΝΟΜΑ-ΟΓΚΟΣ (%) ΑΕΡΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ () ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΓΗΪΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 31 ΧΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΞΕΙ ΙΟ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ (Ν Ο).3% N O (ppbv) 3 9 5 1 15 5 3 35 4 45 5 8 175 18 185 19 195 ΕΤΟΣ.3 ΧΛΩΡΟΦΘΟΡΑΝ- ΘΡΑΚΕΣ (CFCs).1% CF Cl (ppbv)..1 5 1 15 5 3 35 4 45 5. 175 18 185 19 195 ΕΤΟΣ OZON (O 3 ).4% 5 1 15 5 3 35 4 45 5 6
CO Αέριο ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΠΡΟΣΦΑΤΕΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ Συγκέντρωση (175)* 8 ppm Συγκέντρωση (4) 377.3 ppm Επίδραση στην αύξηση της ακτινοβολίας (W/m ) 1.66 Αιτίες µεταβολής Καύσεις CH 4 N O Τροποσφαιρικό O 3 CFC-11 CFC-1 545 ppt Φρέον (από 193) CCl 4 93 ppt CH 3 CCl 3 HCFC- HFC-3 688 ppb 7 ppb 5 ppb 173 ppb 319 ppb 34 ppb 53 ppt 3 ppt 174 ppt 14 ppt Φρέον (από 193) C F 6 3 ppt SF 6 5. ppt. SF 5 CF 3.1 ppt <.1 * Τα µεγέθη του 175 προσδιορίζονται κύρια από µετρήσεις φυσαλίδων αέρα οι οποίες παγιδεύτηκαν σε πυρήνες πάγου, όπως συσσωρεύονταν το χιόνι στις πολικές περιοχές.5.16.35.34 Ορυζώνες, αγελάδες, σκουπιδότοποι Λιπάσµατα, καύσεις, µικρόβια Φωτοχηµικές αντιδράσεις ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ N O, CF Cl, CH 4 CH 4 (ppmv) Συγκέντρωση CO (ppm) 36 1.75 1.5 1.5 1. CO 35 34 33 3 31 1958 196 1966 197 1974 1978 198 1986 199 Έτος CH 4 N O (ppbv) 31 3 9 8 175 18 185 19 195 ΕΤΟΣ CF Cl (ppbv).3..1 N O CF Cl.75.5 1 4 5*1 3 1 3 5 1 5 1 ΧΡΟΝΟΣ (έτη πριν). 175 18 185 19 195 ΕΤΟΣ 7
1 km 8 km km 1 km ΦΩΤΟΪΟΝΙΣΜΟΣ N, O, O Μονοχρωµατική ακτινοβολία ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ..4.6.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 M.K. <.1µm Π.Η.Ε. =.3% Π.Α. = 1% Μονοχρωµατική ακτινοβολία ΦΩΤΟ ΙΑΣΠΑΣΗ Ο Ο + Υ.Α. =Ο..4.6.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 M.K..1-. µm Π.Η.Ε. =.1% Π.Α. = 1% 6 km 4 km km ΦΩΤΟ ΙΑΣΠΑΣΗ Ο 3 Ο 3 + Υ.Α. = Ο + Ο Μονοχρωµατική ακτινοβολία..4.6.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 M.K..-.31 µm Π.Η.Ε. = 1.75% Π.Α. = 1% ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΟΖΟΝΤΟΣ Ο + Ο + Μ = Ο 3 + Μ Μήκος κύµατος Ποσοστό ηλιακής ενέργειας Ποσοστό απορρόφησης M.K. Π.Η.Ε. 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..31-.7 µm Π.Η.Ε. = 45% Μονοχρωµατική ακτινοβολία M.K. >.7 µm Π.Η.Ε. = 53%..4.6.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 Π.Α. = 17%..4.6.8 1 1. 1.4 1.6 1.8 ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗΣ ΟΖΟΝΤΟΣ 1. Φωτοδιάσπαση του όζοντος Ο 3 + υπεριώδης ακτινοβολία Ο + O Το όζον είναι ισχυρός απορροφητής της υπεριώδους ακτινοβολίας (.-.3 µm) διαµέσου της φωτοδιάσπασης. ιάσπαση του όζοντος Περικλείει µια επανασύνδεση µε τοατοµικό οξυγόνο µε τη βοήθεια καταλύτη (ένα υδροξύλιο) Η + Ο 3 ΟΗ + Ο και ΟΗ + Ο Η + 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 Οκαιταδεύτερααπό 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 ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΟΖΟΝΤΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ (1956-1995) (µετρήσεις Halley Bay, Ανταρκτική) ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΟΖΟΝ (Dobson units) 35 3 5 15 1 5 1955 196 1965 197 1975 198 1985 199 1995 ΕΤΟΣ 9
ΜΕΙΩΣΗ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ 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). Ητρύπα αναπτύσσεται µεταξύ τέλος Αυγούστου και αρχών Οκτωβρίου 1/1/1995 13/1/1995 14/1/1995 15/1/1995 ορυφορικές φωτογραφίες της µείωσης του όζοντος από 1-15/1/1995. Με σκούρο µπλε το κρίσιµο όριο της συγκέντρωσης (1-4 µονάδες Dobson) 1
ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΟΖΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΕΝΩΣΕΩΝ ΧΛΩΡΙΟΥ Πηγή: Christopherson, 11