Atmosfera şi calitatea aerului CURS IV Echilibrul energetic al Pământului; Efectul de seră
Radiaţia solară Soarele emite continuu radiaţie electromagnetică ce ajunge pe Pământ sub diverse forme: E=h x c / λ ; - lumină unde h constanta lui Plank, 6,6 x 1034 J x s - raze X c viteza luminii 3 x 108 m/x - radiaţie UV λ - lungimea de undă în nm - microunde - radiaţie infraoşu (IR) - unde radio Cantitatea totală de radiaţie electromagnetică emisă de soare se numeşte flux solar. Fluxul solar mediu ce atinge Pământul în zona stratosferei 1368 W/m2. Doar 69% din fluxul solar ce ajunge la Pământ este absorbit astfel: - 23% de picăturile de apă din nori, stratul de O3 şi alte gaze din atmosferă. - 46% de suprafaţa terestră, energia fiind folosită pentru generarea de biomasă şi încălzirea suprafeţei terestre. 31% din fluxul solar este reflectat în cosmos şi poartă numele de albedo terestru. Pământul reflectă radiaţia solară diferenţiat, funcţie de tipul de suprafaţă pe care cade lumina. Astfel, deşerturile au un albedo mediu de 25-40%, zonele înzăpezite 60-80%, pădurile şi câmpurile agricole 10-20%, oceanul 6-20%.
Particulele în suspensie şi fenomenul de albedo Atmosfera contribuie şi ea la albedo-ul Pământului în special prin particulele aflate în suspensie: săruri; polen; celule bacteriene, spori de fungi; fum (de unde?), cenusă (de unde?); praf; funingine (de unde?) Funcţie de dimensiuni, particulele în suspensie se pot depune pe suprafaţa terestă sub influenţa gravitaţiei în timpi variabili: - particulele mari, cu diametrul mai mare de 10 μm 1-2 zile - particulele medii, aerosoli cu diametrul între 1-10 μm câteva zile - particulele mici, aerosoli cu diametrul mai mic de 1 μm câteva săptămâni în tropsferă, până la 5 ani în stratosferă. Înfluenţa particulelor aflate în suspensie asupra fenomenului de albedo depinde în principal de dimensiunile acestora şi mai puţin de concentraţia lor în atmosferă: - particulele mici, indiferent de culoare, reflectă şi dispersează lumina contribuind astfel la albedo; - particulele mari, colorate, absorb lumina şi încălzesc atmosfera. Particulele foarte mici sunt responsabile de fenomenul de dispersie Rayleigh: împrăştierea elastică a luminii de către particule de dimensiuni mult mai mici decât lungimea de undă a radiaţiei. Culoarea albastră a cerului senin se datorează împrăştierii Rayleigh a luminii solare în atmosfera Pământului.
Surse naturale de aerosoli: Sulfaţii de amoniu produşi prin degradarea materiei organice de către microorganisme Specii organice reactive eliberate de organisme. Ex: terpenele produse de conifere. (mirosul specific al unei păduri de foioase se datoareaza unei terpene: α-pinen Surse antropice de aerosoli: Funinginea (o formă inpură de carbon) produsă de termocentralele pe bază de cărbuni şi motoarele diesel (3 g funingine/l carburant faţă de motarele pe benzină 0.1 g/l) Oxizii metalici şi nemetalici produşi prin arderea cărbunelui şi evacuaţi şub formă de cenuşă (Ex: SiO2; Al2O3; Fe2O3; CaO) Praful de ciment Alte surse: incinerarea deseurilor solide, mineritul, agricultura. Efectul particulelor în suspensie asupra sănătăţii depinde atât de dimensiuni cât şi de natura particulei. Particulele mici nu pot fi filtrate de mucusul şi perii nazali şi ajung în plămâni. În 1970, The Clean Air Act stabileşte pentru prima dată standarde privind particulele cec pot fi inhalate. Sa definit astfel noţiunea de particulele inhalabile (PM) acele particule ce au diametrul mai mic de 10 μm şi au fost notate PM10. În 1997 se adaugă un nou standard - PM2,5 - particulele inhalabile ce au diametrul mai mic de 2,5 μm. Standardul acceptat este de PM2.5 = 65 μg/m3
Echilibrul energetic al Pământului Pământul primeşte energie de la Soare ((fluxul solar albedo) x suprafaţa totală) şi emite energie sub formă de radiaţie infraroşu (căldură) în cosmos (conform legii Stefan Boltzmann). Ein = Fs(1-A)(πr2), unde: Ein - Energia incidentă Fs fluxul solar, 1368 W/m A albedoul terestru, 0,31 r raza Pământului Eem = 4πr2SbT4, unde: Eem Energia emisă Sb constanta lui Boltzmann, 5,67x10-8 Wm-2K-4 T temperatura Pământului r raza Pământului Se stabileşte astfel un echilibru între Energia incidentă (Ein) şi Energia emisă (Eem). Ein = Eem ; Fs(1-A)(πr2)= 4πr2SbT4, deci T4= Fs(1-A)(πr2) / 4πr2Sb T4 = Fs(1-A) / 4Sb = 1368(1-0,31)/ 4x5,67x10-8 T = 254 K = -190C temperatura teoretică calculată a suprafeţei Pământului Temperatura medie a suprafeţei Pământului determinată practic este de 288K = 15oC Diferenţa de temperatură (de 340C) se datorează gazelor din atmosfera terestră care reabsorb radiaţie infraroşie gaze cu efect de seră
Efectul de seră Efectul de seră - efectul de încălzire a suprafeţei terestre ca urmare a absorbţiei şi iradierii radiaţiei infraroşii (IR) emisă de Pământ de către gazele din atmosferă. Gazele responsabile de acest efect se numesc gaze cu efect de seră (GHG). Pentru ca o moleculă să absoarbă radiaţie IR, trebuie să îşi modifice momentul de dipol prin vibrarea sau rotirea unei legături covalente. Gazele monoatomice (Ar) nu au legături covalente, deci nu pot absorbi în IR. Gazele homo-bi-atomice (N2, O2) au legături duble, dar nu formează dipoli nu absorb în IR. Toate gazele cu efect de seră sunt molecule poliatomice. Principalele gaze cu efect de seră sunt: - apa responsabilă de aprox. 89% din efectul de seră natural ce duce la apariţia difernţei de temeratură în temperatura calculată a scoarţei şi ce măsurată; - CO2 - responsabilă de aprox. 7,5 % din efectul de seră natural - alte gaze: - metan (CH ); N O, O şi compuşii clorofluorocarboni (CFC). 4 2 3 Contribuţia unui gaz la efectul de seră depinde de natura sa dar şi de timpul său de remaneţă Tres timpul mediu pe care îl petrece o molecuă a gazului în atmosferă. Tres = C/F, unde : Tres timp mediu de remanenţă C- concentraţia atmosferică F rata de eliberare a gazului în atmosferă Tres pentru CO2, N2O şi CFC este de 100 de ani => cantităţi mici odată emise contribuie masiv la efectul de seră
Spectrele de absorbţie ale principalelor gaze cu efect de seră H2O CO2 Forcingul radiativ este o măsură relativă a contribuţiei la absorţia radiaţiei IR a unei molecule dintr-un gaz dat. In mod arbitrar s-a stabilit că forcingul radiativ al CO2 este 1, iar valorile celorlalte gaze sunt exprimate în raport cu aceasta. CH4 N2O CFC CFC-urile au o valoare a forcingului radiativ de sute de ori mai mare decât a CO2. Forcingul radiativ al unui gaz dat depinde de 3 factori: Concentraţia şi T al gazului res Lungimea de undă la care absoarbe gazul respectiv Coeficientul de absorbţie molară intensitatea cu care gazul absoarbe IR
Evoluţia concentraţiei gazelor cu efect de seră Analiza probelor de aer din gheţari a demonstrat că de mii de ani concentraţia de CO2 este în creştere: - acum 20 000 ani era 200 ppm - la sfârşitul secolului 19 280 ppm O creştere cu 30% în - în 1958 315 ppm ultimii 100 de ani!!!!! - în 2000 375 ppm NOAA Mauna Loa Observatory, Hawaii Creşterea concentraţiei CO2 se datorează: 1. arderii combustibililor fosili 2. defrisării.
Evoluţia concentraţiei gazelor cu efect de seră Aceeaşi tendinţă crescătoare se poate observa şi în cazul celorlalte gaze cu efect de seră. Ca urmare a acestei tendinţe, temperatura Pământului este în creştere, fenomen numit încălzire globală. CFC CO2 CH4 N2O CFC 11 CFC 23 Concentraţia atmosferică ppm ppb ppb ppt ppt Era preindustrială 280 700 270 0 0 Prezent 370 1745 314 268 14 Rate de creştere a concentratiei (%/an) 0,41 0,40 0,25 0,52 3,92 5-200 12 114 45 260 Tres(ani)
Fenomenul de încălzire globală Dovezi ale existenţei fenomenului de încălzire globală: - temperatura suprafeţei Pământului a crescut cu 0,3oC 0,6oC de la începutul secolului 19 până în prezent - nivelul mărilor a crescut cu 10-25 cm - anii cu temeraturile medii cele mai mari din 1860 până acum au fost înregistraţi după 1980. Efectele fenomenului de încălzire globală: - până în 2100 temperatura suprafeţei pământului va creşte cu 1-3,5 oc (în ultima era glacială diferenţele de temperatură faţă de prezent au fost de 5oC) - nivelul mărilor va creşte cu 15-90 cm - curenţii de aer şi distribuţia precipitaţiilor se va schimba => zone inundate sau deşertice Măsuri de reducere a fenomenului de încălzire globală: - Conferinţa Natiunilor Unite din Rio de Janeiro, 1992 reducerea până în 2000 a emisiilor în ţările industrializate la nivelele din 1990. Nu s-a realizat. Protocolul Kyoto reducerea până în 2012 a emisiilor de gaze cu efect de seră în ţările industrializate la nivelele din cu 5% mai mici decât cele din 1990. Nu impune obligaţii ţărilor în curs de dezvoltare: China şi India.