UNIVERSITETET I OSLO

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: GEF2210 Eksamensdag: 9. oktober 2015 Tid for eksamen: Oppgavesettet er på 3 sider Vedlegg: Ingen Tillatte hjelpemidler: Kalkulator, Fysiske størrelser og enheter, og Karl Rottmans matematiske formelsamling Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Oppgave 1. a. Mange naturlige og menneskeskapte utslipp blir oksidert i troposfæren. Hvorfor er denne oksidasjonen viktig og hva er det viktigste oksidasjonsmiddelet i troposfæren? b. Forklar hvorfor vi kan forvente at NOx sluppet ut fra biltrafikk vil mindre effekt på oksidasjonskapasiteten i troposfæren enn samme mengde NOx sluppet ut fra lyn. LF: Oksidasjonskapasiteten i troposfæren er i stor grad bestemt av OH mengden. OH dannes ved spalting av ozon. Betydningen av NOx vil derfor være i forhold til hvor stor ozonproduksjon vi kan forvente fra NOx utslippet. NOx er en katalysator i ozonproduksjonen (jfr. reaksjon R1-R6 under). Dvs. at utslipp av NOx der det allerede er mye NOx (ved bakken over kontinentene) ikke vil ha så stor betydning på OH. Fordi NOx har forholdsvis kort levetid (under et døgn typisk) vil det være mye mindre NOx i den fri troposfæren det NOx fra lyn har stor betyding. Vi vil derfor forvente en betydelig større effekt på oksidasjonskapasiteten i troposfæren av samme mengde NOx sluppet ut fra lyn.

2 c. Hvordan tapes NOx i troposfæren? LF: NOx tapes ved oksidasjon til HNO3 og deretter utvasking. Oksidasjonen er ved OH om dagen og ved ozon (via N2O5) om natten: Dag: NO2 + OH +M HNO3 + M Natt: NO2 + O3 NO3 + O2 NO2 + NO3 + M N2O5 + M N2O5 + H2O (på en aerosol) 2 HNO3 Vi ser nå på en luftmasse nær bakken (konsentrasjonen av luftmolekyler er: n a = molekyler/cm 3 ) som inneholder følgende gasser med disse blandingsforholdene: NOx (NO + NO2) : 62 ppt CO: 200 ppb HOx (OH + HO 2 ): 10 ppt O 3 : 40 ppb I luftpakken skjer følgende 6 reaksjoner, med tilhørende reaksjonskonstanter: Reaksjon Reaksjonskonstanter R1 NO 2 + hv NO + O k 1 = (s -1 ) R2 O+ O 2 + M O 3 + M k 2 = (cm 3 molekyl -1 s -1 ) R3 NO + O 3 NO 2 + O 2 k 3 = (cm 3 molekyl -1 s -1 ) R4 1 CO + OH (+O 2 ) CO 2 + HO 2 k 4 = (cm 3 molekyl -1 s -1 ) R5 NO + HO 2 NO 2 + OH k 5 = (cm 3 molekyl -1 s -1 ) R6 O 3 + HO 2 OH+ 2O 2 k 6 = (cm 3 molekyl -1 s -1 ) 1 R4 er egentlig 2 reaksjoner, men reaksjonen H+O 2 +M HO 2 + M er svært raskt så vi kan anta at 100% av H som produseres i R4 gir HO 2 umiddelbart. d. Sett opp nettoreaksjonen for R1, R2 og R3. Hva kaller vi en sykel av den typen som er gitt ved reaksjonene R1, R2 og R3? LF: NO 2 + hv NO + O O+ O 2 + M O 3 + M

3 NO + O 3 NO 2 + O 2 Netto: hv varme Dette kaller vi en null-sykel e. R3 er svært rask i forhold til R5. Neglisjer foreløpig R5 og vis at NO/NO 2 forholdet ved likevekt (Steady-state) er gitt ved NO/NO 2 = k 1 /(k 3 *O 3 ) Hva blir konsentrasjonen av NO i luftmassen? LF: Ved likevekt av f.eks. NO (kan ta utgangspunkt i NO2 også) Tap av NO = Prod. av NO NO* k 3 *O 3 = k 1 *NO 2 NO/NO 2 = k 1 /(k 3 *O 3 ) Finner NO konsentrasjonen: NOx = 62 ppt [NOx] = = molekyler/cm 3 O 3 = 40 ppb [O 3 ] = = molekyler/cm 3 [NOx] = [NO] + [NO 2 ] = [NO] + [NO]* k 3 *[O 3 ]/ k 1 [NO]=[NOx]/(1+ k 3 *[O 3 ]/ k 1 ) = molekyler/cm 3 f. Anta at OH er i steady-state gitt ved R4, R5 og R6, regn ut konsentrasjonen av HO 2. LF: OH i steady state tap = produksjon k 4 * CO *OH = k 5 * NO * HO 2 + k 6 * O 3 * HO 2 [OH]/[HO 2 ]= (k 5 * [NO] + k 6 * [O 3 ])/ (k 4 * [CO]) Har oppgitt I oppgaven at [Hox]=10 ppt HOx = 10 ppt [HOx] = = molekyler/cm 3

4 Kan da finne [HO 2 ] [HOx] = [OH] + [HO 2 ] =[HO 2 ]* (k 5 * [NO] + k 6 * [O 3 ])/ (k 4 * [CO]) +[HO 2 ] [HOx] =[HO 2 ]* ((k 5 * [NO] + k 6 * [O 3 ])/ (k 4 * [CO]) +1) [HO 2 ] = molekyler/cm g. Vil vi ha netto ozonproduksjon eller netto ozontap i denne luftmassen? Begrunn svaret. LF: Ozon dannes hver gang NO oksideres til NO2 uten at ozon tapes (dvs. ikke i R3). Da vil R1 og R2 gi ozonproduksjon. Ozon tapes samtidig R6. Kriteriet for om vi har netto psoitiv ozonproduksjon er altså at raten for R5 er større enn for R6 k 5 [NO] [HO 2 ] > k 6 [O 3 ] [HO 2 ] dvs. at [NO]> k 6 [O 3 ]/k 5 I vårt tilfelle er høyresiden av ulikheten over : k 6 [O 3 ]/k 5 = / = molekyler/cm 3 mens [NO]= molekyler/cm 3 (fra oppgave e over) Dvs. at vi har tilstrekkelig mye NOx til at vi får netto positiv ozonproduksjon. Oppgave 2 a. Pilene på Figur 1 under viser blanding av luft fra bakken til ulike høyder, og fra stratosfæren inn i troposfæren (helt til høyre). Indiker typiske tidsskalaer for hver av disse blandingsprosessene. LF: Se figur i Jacobs.

5 - Figur 1. Skisse av vertikale blandingsprosesser i atmosfæren. b. Vi tenker oss en komponent sluppet ut ved bakken som lett avsettes på bakken slik at levetiden i grenselaget (PBL) er 24 timer. Under hvilke forhold vil en slik komponent kunne transporteres fra et kontinent til et annet? LF: Transporttiden sonalt innenfor en hemisfære er typisk 1 til 2 uker (Fig 4.12 i Jacobs). Denen komponenten må derfor transporteres ut av grenselaget slik at avsetningen på bakken ikke er effektiv lengere. Dette kan skje på ulike måter for eksempel gjennom dyp konveksjon. c. Karbonmonoksid (CO) tapes ved reaksjon R4. Anta at OH konsentrasjonen er molekyler/cm 3. Hva blir levetiden for CO? LF : Levetiden er definert slik τ=masse (CO)/tap(CO)= [CO]/(k 4 [OH] [CO]) =1/k 4 [OH] =128 dager d. Figur 2 under viser observerte blandingsforhold av CO (ppb eller nmol/mol, det er det samme) ved Cape Grim (41 S) og Mace Head (Irland, 53 N). Vi kan anta at 90% av COutslippene fra bakken er på den nordlige halvkulen. Hvorfor er det ikke større forskjell mellom de to stasjonene? LF: Hovedgrunnen til at det ikke er større forskjell er at det er betydelige kilder fro CO på sydlige halvkule som ikke kommer fra utslipp på bakken. Dette er gjennom oksidasjon av metan som i nedbrytningskjeden gir CO. Metan har lang nok levetid (9-10 år) til at det blandes godt mellom halvkulene. Høyere NOx og ozon i nord vil nok bidra til kortere levetid for CO i nord, men dette kompenseres delvis gjennom høyere metanoksidasjon (og dermed større kilde av CO).

6 Figur 2. Observert blandingsforhold (ppb) av CO på Cape Grim (over) og Mace Head (under).