Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

ATMOSFÉRA Přírodní chemická laboratoř Radomír Čabala Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra analytické chemie Albertov 2030, Praha 2,

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "ATMOSFÉRA Přírodní chemická laboratoř Radomír Čabala Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra analytické chemie Albertov 2030, Praha 2,"— Transkript prezentace:

1 ATMOSFÉRA Přírodní chemická laboratoř Radomír Čabala Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra analytické chemie Albertov 2030, Praha 2,

2 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř2 Chemie atmosféry - obsah Atmosféra - popis, složení, vlastnosti Energetická bilance - skleníkový jev Chemie stratosféry - ozonová vrstva, ozonová díra Chemie troposféry –přírodní a antropogenní stopové látky –HO, HOO, ROO, NO x,SO 2, SO 3, CO, CH 4, H 2 CO, aromáty, PAU Metody analýzy atmosféry –ENVISAT

3 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř3 Úvod - Atmosféra –Atmosféra - z řeckého "atmos"=pára + "sphaira"=koule –relativně tenký plynný obal Země –směs plynů, vodní páry a aerosolů –nerovnovážné složení udržované v ustáleném stavu slunečním zářením, biosférou a vulkanickou činností –heterogenní rozvrstvení troposféra, stratosféra, mesosféra, termosféra, exosféra –způsobuje mírný skleníkový efekt přirozený a antropogenní –silné interakce s hydrosférou a litosférou tepelné toky (vedení, proudění, záření a skupenské přeměny) látkové toky (voda, plyny, pevné částice)

4 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř4 Základní údaje o atmosféře Hmotnost: kg ( % hmotnosti Země) 99 % atmosféry pod 30 km 50 % atmosféry pod 5,5 km % celkové hmotnosti vzduchu Výška (km) Jedinečné složení v rámci Sluneční soustavy

5 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř5 Vyjadřování koncentrace koncentrace částic... počet částic/m 3 [m -3 ] [ppm] (ppb, ppt)... parts per million (billion, trillion) 1 ppm = 0,0001 % obj. molární zlomek... počet molů/mol vzduchu plošná hustota... počet částic ve vertikálním válci promítnutém na definovanou plochu [m -2 ] –Dobsonova jednotka pro ozon (DU) - výška sloupce O 3 vyjádřená v 0,1 mm za standardních podmínek 1DU = 2, molekul O 3 /cm 2 –Standardní hodnota koncentrace O 3 v troposféře je 300 DU [ppm]...Koncentrace látky v ppm C...Koncentrace látky v μg/dm 3 ρ...Hustota vzduchu v g/dm 3 M r...Relativní molekulová hmotnost látky [ppm]...Koncentrace látky v ppm C...Koncentrace látky v μg/dm 3 ρ...Hustota vzduchu v g/dm 3 M r...Relativní molekulová hmotnost látky

6 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř6 Hypotetické rovnovážné a skutečné složení atmosféry Látka Hypotetická rovnovážná koncentrace, % Současná koncentrace, % Střední doba života N2N2 < ,6·10 7 r CH 4 < ,7· r N2ON2O < ,1· r NH 3 < d H2H2 < ,3· r Atmosféra s 21% O 2

7 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř7 Vliv života na složení atmosféry Bez přítomnosti životaV přítomnosti života

8 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř8 Rozvrstvení atmosféry

9 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř9 Energetická bilance atmosféry 100 (%) = 342 W/m 2

10 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř10 Skleníkový jev - princip

11 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř11 Dopadající sluneční záření

12 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř12 Skleníkový jev Záření dokonale černého tělesa a) Slunce, 5780 K b) Země, 256 K Spektrum IČ záření vyzařovaného Zemí (družice Nimbus 4) O3O3 H2OH2O CO 2 CH 4 N2ON2O

13 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř13 Skleníkový jev - antropogenní příspěvky Příspěvky klimatologicky důležitých stopových plynů k antropogennímu skleníkovému jevu GWP = Greenhouse Warming Potential PlynPodíl, %GWP Relat. roční nárůst, % CO ,3-0,4 CH O 3 - Troposféra720000,7 N2ON2O52060,2-0,3 CFHC SF 6 ?23900? H2OH2O8--

14 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř14 Další antropogenní příspěvky ke skleníkovému jevu

15 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř15 Chemie troposféry - tendence vývoje obsahu CO 2

16 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř16 Absorpce slunečního záření atmosférou - Ozonová vrstva Tvorba O 3 Rozklad O 3 ve výšce km (stratosféra) S.Chapman - chemický mechanismus tvorby ozonu (1930)

17 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř17 Atmosférický kyslík stratosféra - absorbuje vysoce energetickou část UV záření Slunce podílí se na většině atmosférických (foto)chemických reakcí MO-Kyslíku Molekulární O 2 Tripletový (T) Singletový (S)

18 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř18 Propojení Chapmanova a NO x -cyklu NO 2 ONO O3O3 O2O2 O3O3 OO O 2 +M M O 2O 2 O3O3 O3O3 NO 2 NO 3 O2O2 NOO2O N2ON2O O* <240nm <330nm <420nm <1000nm N2O5N2O5 NO 2 O2O2 HNO 3 H2OH2O

19 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř19 Ozonová vrstva - katalytické cykly modifikovaný Chapmanův cyklus nevysvětluje skutečné koncentrace ozonu ve stratosféře globální koncentrace ozonu je oproti teorii příliš nízká, tzn. ozon je odbouráván mnohem rychleji katalytické reakce (Bates a Nicolet, 1950) kde X = H, OH, NO, Cl, Br –zvláště NO, Cl a Br antropogenního původu

20 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř20 Katalytické cykly v ozonové vrstvě

21 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř21 Katalytické cykly v ozonové vrstvě

22 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř22 Ozonová vrstva - katalytické cykly Údaje: D.J.Lary, J.Geophys.Res., 102, 21515, 1997

23 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř23 Ozonová díra Zimní stratosférický polární vír (polar vortex) Polární stratosférické mraky (polar stratospheric clouds, PSCs) Heterogenní reakce v PSCs - produkce aktivních forem chloru Odbourávání ozonu Tvorba aktivních forem Cl Iniciace

24 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř24 Vztah mezi ODP a GWP silná korelace mezi GWP a ODP Greenhouse Warming Potential Ozone Depletion Potential

25 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř25 Chemie troposféry Zdroje Emise Transport Difuze Foto-/Chemické přeměny v atmosféře Foto-/Chemické přeměny v atmosféře Depozice Suchá Mokrá Škodlivina Primární Sekundární Přímo emitované a transportované Produkty přeměn a odbourávání Imise B. A. B.

26 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř26 Chemie troposféry Škodliviny Těkavé - vysoký tlak nasycených par, volatile organic compounds (VOC) Středně těkavé - semivolatile organic compounds (SOC) Netěkavé - malý tlak nasycených par, malá Henryho konstanta, převážně vázány na aerosoly Těkavé - vysoký tlak nasycených par, volatile organic compounds (VOC) Středně těkavé - semivolatile organic compounds (SOC) Netěkavé - malý tlak nasycených par, malá Henryho konstanta, převážně vázány na aerosoly Atmosférické stopové škodliviny Primární Sekundární Přírodní Antropogenní Reaktivní Stabilní Klimaticky účinné Toxické Všudypřítomné Kyselé

27 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř27 Chemie troposféry Látky znečišťující vzduch a jejich původ

28 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř28 Chemie troposféry Fotochemické odbourávání stopových škodlivin v troposféře –Homogenní reakce přímá fotochemická přeměna v plynné fázi nepřímá fotochemická přeměna v plynné fázi –Heterogenní reakce přeměna v kapalné fázi (mraky, déšť, mlha, rosa, vlhké aerosoly) přeměna na aerosolech (prach, písek,saze)

29 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř29 Fotochemické reakce Krok 1: Elektronická excitace fotonem: Krok 2: Fotochemické reakce AB* A+B* C+D* AB+M* AB+CD* AB´AB+hv AB + + e - Disociace Ionizace Luminiscence Intramolekulární přenos energie Zhášení Intermolekulární přenos energie Chemická reakce

30 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř30 Interakce a zpětné vazby v troposféře a stratosféře NO x Kyselý déšť Fotooxidanty Tr. oxidační kapacita Stratosférický aerosol Stratosféra Troposféra Stratosférický ozón Troposférický ozón Stratosférický ohřev/chlazení Troposférický ohřev/chlazení CO CO 2 NH 3 CH 4 SO 2 DMS NO x N2ON2O NMHCCFC OH H2OH2O Cl NO x COS Hraniční vrstva

31 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř31 Chemie troposféry Doba promísení - doba za kterou se určitá chemikálie rovnoměrně rozptýlí v určité oblasti atmosféry Hemisférická doba promísení - pro zemskou hemisférul, 1 až 2 měsíce Interhemisférická doba promísení - v rámci celé Země, 1 až 2 roky Vnitrotropická konvergenční zóna (ITCZ) kolem celé Země v blízkosti rovníku  doba života t 1/2 poločas  doba života t 1/2 poločas Hemisférická doba promísení Interhemisférická doba promísení Doba života

32 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř32 Chemie troposféry - HO převážná část O je opět deaktivována srážkami s O 2 a N 2 Klíčová reakce troposférické chemie - - hlavní zdroj HO HO nejreaktivnější částice troposféry („čistička“ troposféry) střední doba života  1 s koncentrace HO dosahuje ca cm -3 je iniciátorem většiny řetězových chemických reakcí přeměňuje škodliviny na formy rozpustné ve vodě - vymytí deštěm na slunci se rychle ustaví rovnováha mezi HO /HOO a NO,NO 2 a O 3 −asi 70% HO je přeměněno na HOO reakcí s CO (v čistém vzduchu, viz dále) −asi 30% HO je přeměněno na HOO reakcí s CH 4 (viz dále)

33 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř33 Chemie troposféry - HO HO H2O2H2O2 H2O2H2O2 H2OH2O H2OH2O H 2 SO 4 HCl HNO 3 Vymytí deštěm HOO H2H2 H2SH2S SO 2 CHCl 3 CH 3 CCl 3 NO 2 NH 3

34 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř34 Chemie troposféry Uhlíkový koloběh Hluboká moře a oceány (38 000) Povrchová voda (700) Živé organismy, vegetace, půda, org. odpady (2 750) Sedimenty Litosféra ( ) Naleziště (5 000) 0,1 0,2 Atmosféra (720) Množství : Oddíly t vztaženo na C Toky t/a vztaženo na C

35 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř35 Chemie troposféry - Metan Zdroje –zemědělství - pěstování rýže, chov hovězího dobytka, rozklad biomasy –těžba kamenného a hnědého uhlí, zemního plynu a ropy –methanhydrat (?) –emise ze skládek –ztráty z rozvodů plynu Odbourávání –prakticky výlučně reakcí s HO –propojeno s NO x - a O 3 -cykly A: [NO] / [O 3 ] > 1/5000B: [NO] / [O 3 ] < 1/5000

36 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř36 Chemie troposféry - Formaldehyd Zdroje –postupným odbouráváním uhlovodíků reakcí s HO Odbourávání 2× klíčová role HO radikálu

37 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř37 Chemie troposféry - CO Zdroje –Přírodní:920 ∙10 6 t/r Lesní požáry, sopečná aktivita –Antropogenní:1490 ∙10 6 t/r (60%) vedlejší produkt spalování C-obsahujících látek (uhlí, dřevo, plyn, ropa) fotochemické reakce VOC s HO - zvl. metan a jiné alkany (ca. 80% CO pochází z metanu (mimo města)) oceány - přesný zdroj CO není znám Odbourávání –fotochemická reakce s HO - NO x a O 3 cykly A: [NO] / [O3] > 1/5000 B: [NO] / [O3] < 1/5000 –samovolná oxidace CO probíhá velmi zvolna –aerobní půdní mikroorganismy

38 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř38 Chemie troposféry - uhlovodíky Alkeny A. B. Celkově

39 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř39 Chemie troposféry - aromatické uhlovodíky Benzen + HO - H 2 O + O 2 + NO - NO 2 + HOO - O 2 Alkyltolueny + HO - H 2 O + O 2 + NO - NO 2 + O 2 - HOO 90% NO x H2O2H2O HO - H 2 O + 10% (1) (2)(3)(4)(5) +

40 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř40 Chemie troposféry - polyaromatické uhlovodíky Fluoranthen + HO + NO 2 - H 2 O Vyšší nitrované polyaromatické uhlovodíky - karcinogeny

41 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř41 Chemie troposféry - sloučeniny síry Atmosférický koloběh síry Suchá a mokrá depozice Sloučeniny síry Oxidované formy (antropogenní) −SO 2 −HSO 3 - a SO 3 2- −COS (oxid-sulfid uhličitý) Redukované formy −H2S−H2S −CS 2 −Dimethylsulfid (CH 3 ) 2 S −Metanthiol CH 3 SH Stratosféra Troposféra zemský povrch

42 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř42 ENVISAT - Přístroje pro sledování atmosféry Důležité přístroje umístěné na družici GOMOS Global Ozone Monitoring by Occultation of Star MIPAS Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding SCIAMACHY Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmosphere Cartography

43 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř43 ENVISAT - Přístroje pro sledování atmosféry GOMOS

44 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř44 ENVISAT - Přístroje pro sledování atmosféry SCIAMACHY MIPAS

45 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř45 Pro zájemce je celá prezentace umístěna na: ATMOSFÉRA Přírodní chemická laboratoř

46 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř46 Propojení Chapmanova a NO x -cyklu NO NO 2 O3O3 O2O2 Cyklus 1 NO 3 N2ON2O Cyklus 2 O( 1 D)

47 Čabala: Atmosféra - Přírodní chemická laboratoř47 Ozonová vrstva - katalytické cykly Nicoletovy diagramy HO HOO O3O3 O3OO3O HOCl HOBr H ClO BrO OO2O2 hνhν hνhν


Stáhnout ppt "ATMOSFÉRA Přírodní chemická laboratoř Radomír Čabala Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra analytické chemie Albertov 2030, Praha 2,"

Podobné prezentace


Reklamy Google