Fizyczne podstawy bada rodowiska Wykad III Krzysztof M
Fizyczne podstawy badań środowiska Wykład III Krzysztof M. Markowicz Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolami to małe cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej człowieka. Rodzaje aerozoli: • sól morska • drobiny piasku Aerozole naturalne. • pyły (wulkaniczny) • fragmenty roślin • sadza (elemental carbon), organic carbon Aerozole antropogeniczne • siarczany, azotany • związki organiczne i nieorganiczne 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
niehigroskopijny Inny podział aerozoli bardzo ważny z punktu widzenia fizyki atmosfery Pył pustynny Sadze Sól morska Siarczany, azotany Aerozole organiczne 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Wielkość i kształt cząstek aerozolu 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Zmętnienie atmosfery powstałe w wyniku obecności aerozoli 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Zakres wielkości cząstek aerozolu: R=0. 001 - 5 μm W rozkładzie wielości aerozoli wyróżniany 3 charakterystyczne grupy cząstek: • cząstki Aitkena (nucleation mod), r<0. 05 m • cząstki w modzie akumulacyjnym (accumulation mod), 0. 05<r<0. 5 m • cząstki duże (coarse mod), r>0. 5 m Szczególnie istotne znaczenie w atmosferze z klimatycznego punktu widzenia mają ostatnie dwa typy cząstek. 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Cząstki Aitkena powstają w czasie nukleacji homo- lub heterogenicznej pary nasyconej gazów zawartych w atmosferze. Znacznie tych cząstek w procesach klimatycznych jest marginalne 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Cząstki w modzie akumulacyjnym powstają w wyniku kondensacji pary wodnej na małych cząstkach Aitken’owskich. w wyniku konwersji chemicznej gazu do cząstek w wyniku produkcji mechanicznej Cząstki w tym modzie są reprezentowane przez niemal wszystkie typy aerozoli występujących w przyrodzie. 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Aerozole duże powstają w wyniku : koagulacji (łączenia się mniejszych cząstek w wyniku zderzeń). Zaliczają się do nich głownie aerozole w fazie ciekłej (np. krople kwasu siarkowego) ale również aerozole w fazie stałej (np. dołączanie się cząstek sadzy do drobin piasku) produkcji mechanicznej (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu piaskowego w czasie silnego wiatru) 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Objętościowy rozkład wielkości cząstek 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj) 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Grubość optyczna aerozoli o promieniu r<1 m (aerozol antropogeniczny i powstały w czasie pożarów) Grubość optyczna aerozoli o promieniu r>1 m (piasek i sól morska) 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Usuwanie aerozoli z atmosfery Sucha depozycja Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane tylko duże cząstki) Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). Efektywne usuwanie cząstek z modu akumulacyjnego 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Wpływ aerozoli na klimat Ziemi Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcje promieniowania) • Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie na własności mikrofizyczne chmur) 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Cząstki w modzie akumulacyjnym powstają w wyniku kondensacji pary wodnej na małych cząstkach Aitken’owskich. w wyniku konwersji chemicznej gazu do cząstek w wyniku produkcji mechanicznej Cząstki w tym modzie są reprezentowane przez niemal wszystkie typy aerozoli występujących w przyrodzie. 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Aerozole duże powstają w wyniku : koagulacji (łączenia się mniejszych cząstek w wyniku zderzeń). Zaliczają się do nich głownie aerozole w fazie ciekłej (np. krople kwasu siarkowego) ale również aerozole w fazie stałej (np. dołączanie się cząstek sadzy do drobin piasku) produkcji mechanicznej (powstawanie soli morskiej podczas załamywania fal morskich czy wynoszenie pyłu piaskowego w czasie silnego wiatru) 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Objętościowy rozkład wielkości cząstek 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj) 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Grubość optyczna aerozoli o promieniu r<1 m (aerozol antropogeniczny i powstały w czasie pożarów) Grubość optyczna aerozoli o promieniu r>1 m (piasek i sól morska) 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Usuwanie aerozoli z atmosfery Sucha depozycja Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane tylko duże cząstki) Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). Efektywne usuwanie cząstek z modu akumulacyjnego 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Wpływ aerozoli na klimat Ziemi Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcje promieniowania) • Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie na własności mikrofizyczne chmur) 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat wzrost albeda planetarnego warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl wzrost absorpcji w atmosferze
Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków większe albedo Stratocumulus. . . : : : : . . . : : . . : : : : . . Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Pierwszy pośredni wpływ aerozoli Chmury ‘czyste’ i ‘zanieczyszczone’ Czyste powietrze, mała ilość jąder kondensacji. Zanieczyszczone powietrze, duża ilość jąder kondensacji. Mała koncentracja. Duże rozmiary kropelek. Małe rozmiary kropelek. 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Rola chmur z warstwy granicznej w systemie klimatycznym + Albedo Długość życia i rozciągłość przestrzenna Koncentracja kropelek Strumień ciepła utajonego i odczuwalnego T 3/5/2021 Intensywność opadu CCN Zanieczyszczenia Ocean DMS Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Widzialności Widzialność pozioma to odległości przy której obserwowany ciemny obiekt jeszcze widoczny i rozpoznawalny na tle nieba w pobliżu horyzontu. Wymiary obiektu powinny mieć co najmniej 0. 3 o szerokości kątowej Ograniczenie widzialności po niżej 1 km nosi nazwę mgły zaś jeśli widzialność mieści się w przedziale od 1 do 10 km mówimy o zamgleniu. Aerozole poza kroplami skondensowanej pary wodnej są głównymi składnikami powietrza które ograniczają widzialność w atmosferze. 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Pomiary widzialności Metoda reperów (charakterystycznych obiektów oddalonych od stacji w przedziale do 50 m do 50 km. Metoda pośrednia poprzez pomiar własności optycznych atmosfery. Równanie Koschmiedera Vis=ln(50)/ Gdzie jest ekstynkcja dla długości fali 550 nm odpowiadającej największej czułości oka ludzkiego. jest suma w skład której wchodzą efekty molekularne powietrza (rozpraszanie Rayleigh’a), aerozol (absorpcja oraz rozpraszanie) oraz krople wody (rozpraszanie) = M + A+ W gdzie M dla warunków standartowych (p=1013, T=273) wynosi 0. 012 1/km. 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Tak więc dla idealnie czystej atmosfery widzialności wynosi około 325 km dioda świecąca detektor L Najprostszy przyrząd do pomiaru widzialności Natężenie światła mierzone przez detektor wynosi: I=Ioexp(-L ) Stąd łatwo wyznaczyć całkowitą ekstynkcję =1/L ln(Io/I) Przyrząd do pomiaru widzialności oparty na pomiarze rozpraszania pod katem 45 o. Okazuje się że rozpraszanie pod kątem 45 stopni nie zależy od rodzaju cząstek a jedynie od ich ilości I Io scat. P(45)d. V scat współczynnikiem rozpraszania zaś P(45) praw-o rozproszenia fotonu 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
= scat + abs scat abs oznaczają współczynniki rozpraszania i absorpcji. Przy założeniu ze współczynnik absorpcji jest abs << scat można wyznaczyć widzialności opierając się tylko na pomiarze współ. rozpraszania. Pomiary scat wykonuje się przy pomocy Nephelometrów zaś abs przy użyciu Aethalometrów 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Inne pomiary aerozolowe Pomiary najmniejszych możliwe są do wykonania przy pomocy liczników Aitkena, których zasada działania polega na konwersji cząstek aerozolu w znacznie większe kropelki, które są już łatwe do zliczenia; znając objętość powietrza w komorze licznika można wyznaczyć ich początkową koncentrację. Taka metoda postępowania wynika z braku możliwości obserwacji, cząstek o wymiarach mniejszych od długości fal używanych w mikroskopach optycznych (obserwacje bezpośrednie umożliwia mikroskop elektronowy). 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Innymi metodami są filtrowanie i impakt czyli wykorzystanie różnicy bezwładności powietrza i aerozolu przy opływie przeszkody. W obu tych metodach pojawiają się błędy związane z deformacją linii prądu (izokinetyka wychwytu) przy pobieraniu próbki. Impaktory szeregowe, tworzą kaskadę rozseparowującą cząstki względem ich rozmiarów. Różnice w ruchliwości (pod wpływem pola elektrycznego z ładunkiem elektrycznym) aerozolu (0. 01 ÷ 1. 0µm) wykorzystujemy w analizatorach elektrycznych. Cząstki obdarzone ładunkami jednakowego znaku separowane są w polu elektrycznym. Zmiana potencjału elektrody kolektora powoduje usuwanie ze strumienia powietrza coraz większego aerozolu. Ładunek końcowy zebrany na elektrometrze będzie, w założeniu, proporcjonalny do ilości cząstek lub do wielkości sumarycznego ładunku powierzchniowego. Zasadą konstrukcji analizatorów optycznych jest rozpraszanie światła na kroplach. Sygnały fotodetektora, pozwalają odtworzyć widmo wielkości aerozolu. 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Gazy śladowe w atmosferze – CO 2 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Śladowe gazy w atmosferze - ozon Pierwsze prymitywne formy roślinne rozwinęły się głęboko w oceanie. Atmosfera ziemska zawierała bardzo mało tlenu, a szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe dochodziło bez przeszkód do powierzchni Ziemi. W wyniku fotosyntezy rośliny uwalniały tlen, który natychmiast ulegał fotodysocjacji pod wpływem promieniowania UV Tlen atomowy ulegał następnie rekombinacji z tlenem cząsteczkowym, tworząc ozon M jest cząstką, której obecność jest potrzebna, aby zabrać nadmiar energii produkowanej w czasie reakcji. Ozon pod wpływem promieniowania ulega rozkładowi na tlen atomowy i cząsteczkowy 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Śladowe gazy w atmosferze - ozon Średni stosunek zmieszania dla ozonu ( ) jest największy na wysokości ok. 30 km. Jednakże największe koncentracje ozonu znajduje się w dolnej stratosferze. Spowodowane jest to gęstością powietrza, która spada eksponencjalnie z wysokością. Zatem średnia gęstość ozonu ( ) jest największa na wysokości 10 -20 km. 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
Sondy Ozonowe Powietrze w sondzie przepompowywane jest przez roztwór jodku potasu w którym w obecności ozonu zachodzi reakcja 2 KJ+O 3+H 2 O J 2 + O 2 +2 KOH Pomiar ozonu polega na pomiarze prądu jodowego 3/5/2021 Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl
- Slides: 37