Obligatorisk oppgave GEF2210 Høsten 2017

Størrelse: px

Begynne med side:

Download "Obligatorisk oppgave GEF2210 Høsten 2017"

Ingvar Carlsson
5 år siden
Visninger:

1 Obligatorisk oppgave GEF2210 Høsten 2017 Utlevering: Innlevering: 9.11 Leveres enten på e-post til eller på papir. I denne oppgaven skal du studere fotokjemien i troposfæren ved hjelp av en boksmodell som er programmert i matlab. Filene du trenger lastes ned fra Filene er: chem_box.m Hovedprogrammet chem_rates.m Diff likningene som beskriver massebalansen for hver komponent reaction_rates.m Reaksjonskonstanter init.m Initialverdier (konsentrasjoner) conc_background.m Randverdier (konsentrasjoner) delta.m Gir solas deklinasjonsvinkel som funksjon av tid på året I modellen er det programmert et forenklet kjemisk skjema med 17 komponenter, 19 kjemiske reaksjoner og 7 fotodissosiasjoner (Se chem_rates.m og reaction_rates.m). Generelt løses massebalanselikninger for hver av disse komponentene der likningene er på formen (slik som diskutert i boka og vist på figuren under): dn i dt = E + P + T inn L D T ut

2 Boksen vi ser på utveksler masse med omgivelsene gjennom transportleddene. Konsentrasjonene i omgivelsene endres ikke og er gitt i filen init.m. Tapsleddene i forhold til avsetning (D) og transport ut og inn av boken er første-ordens dvs. D = k i n i T inn = k T n i (omg.) T ut = k T n i Tørravsetning (bare for O 3 og HNO 3 er lagt inn) k T er lik for alle komponenter k T er lik for alle komponenter I modellen er det i utgangspunktet lagt inn utslipp av CO, NO og et hydrokarbon (HC), men det kan enkelt legges inn utslipp av andre komponenter hvis det er ønskelig. Da vi nå ikke bare har en komponent (X i figuren over), men 17 ulike kjemiske komponenter som til dels reagerer med hverandre, og inngår i kjemiske sykler, får vi et koblet sett med ordens ordinære differensiallikninger vi må løse. Dette er ikke trivielt, men heldigvis har matlab ferdig programmerte rutiner for dette. I dette programmet brukes rutinen odt23t til dette. I starten av hovedprogrammet settes noen parametre som definerer plasseringen av boksen og de fysiske forholdene (bl.a. breddegrad, temperatur, tetthet i luften, startdag og lengde for simuleringen). Oppgave 1. Last ned programmet og gjør en simulering over 48 timer med de inputverdiene som ligger i programmet. - Plott opp døgnvariasjonen av de viktigste komponentene (O 3, OH, NO, NO 2, HC) - Hva er det som gir opphav til døgnvariasjonen i ozon? - Hvilke prosesser som bidrar til døgnvariasjon av ozon i virkeligheten er ikke tatt hensyn til slik modellen er programmert? Oppgave 2. Hvilke reaksjoner er representerer tap av HOx (slik HOx er definert i kap. 12 i læreboka) i denne modellen? Ta utgangspunkt i diskusjonen i avsnitt 12.2 i læreboka. Legg en diagnose (utskrift/plott) i modellen slik at du kan finne størrelsen på HOx tapet. Hvilke reaksjoner fører til det størst tapet av HOx i standardoppsettet i modellen? Oppgave 3. Kjør modellen lenge nok til ozonverdiene er kommet i en tilnærmet likevekt. Vi kan definere likevekt slik at maksimalverdien (over døgnet) ikke endrer seg med mer enn 3% fra et døgn til neste. Hvor lang tid tar det til en slik likevekt er oppnådd?

3 Oppgave 4 I denne oppgaven skal vi gjøre eksperimenter med modellen som tilsvarer det som ligger til grunn for figur 12.4 i læreboka. Varier utslippene stegvis av NOx (her NO) og HC, CO. La HC og CO utslippene være like (dvs. når HC utslippet endres så settes CO utslippet til den samme verdien som for HC). Varier NO utslippet mellom 10 5 og 10 7 molekyler/(cm 3 s), og HC (og CO) utslippet mellom 10 5 og 10 7 molekyler/(cm 3 s). Lag tabeller (for døgnlig maksimum av hver av de viktigste komponentene), dvs. fyll inn en slik tabell som i eksempelet under for hver komponent. HC/CO emissions NOx emissions (molekyler/(cm 3 s)) (molekyler/(cm 3 s)) Kjør hvert eksperiment så lenge som du fant var nødvendig for å komme til likevekt i oppg. 3. Du kan evt. lage en ekstra loop i programmet slik at du ikke må starte det på nytt for hvert eksperiment. Hvordan stemmer resultatene dine med Figur 12.4 i boka? Kan du identifisere hvor ozonproduksjonen er NOx begrenset og hvor den er HC/CO begrenset? Stemmer dette med HOx tapet i hvert tilfelle (jfr. Diskusjonen på side i læreboka)? Oppgave 5. Flytt boksen til midlere breddegrader (45º) på vinterhalvkula. Hvordan går det med ozondannelsen når NOx og HC utslippene endres nå? Hva er det som skjer?

4 Oppgave 6. Flytt boksen tilbake til 30º og sommer. Vi tenker oss at boksen representerer et byområde på 50x50km og at utslippene er blandet opp til en høyde på 500m (ca. høyde på grenselaget i en høytrykkssituasjon). La utslippene av CO være P CO = molekyler/(cm 3 s) i resten av simuleringene. - Finn totalutslippene (kg(no)/år, kg(hc)/år) fra byområdet når P HC = P NO = molekyler/(cm 3 s). Molvekten for NO er 30 g/mol, og for HC 44 g/mol. Videre antar vi at 75% og 40% av hhv. NO og HC utslippene av kommer fra biltrafikk. Utslippene pr. kilometer fra dieselbiler og bensinbiler er hhv. (typisk EURO III standard) Diesel: E(NO)= 0.2 g(no)/km og E(HC) = 0.05 g/km Bensin: E(NO)= 0.05 g(no)/km og E(HC) = 0.1 g/km - Regn ut årlig total kjørelengde (for begge biltyper) innenfor byområdet og andelen av dieselbiler i byen. Oppgave 7. Som ekspert på atmosfærekjemi blir du spurt av myndighetene i byen hvordan de bør begrense utslippene fra bilkjøring for å redusere ozonkonsentrasjonene i bylufta. Hvilke tiltak vil du foreslå? (Ha i bakhodet at myndighetene nok ønsker tiltak som i minst mulig grad reduserer årlig kjørelengde) Bruk modellen for å dokumentere hvordan tiltakene vil virke. Diskuter usikkerheten i resultatene og gjør en vurdering om modellen er egnet til dette formålet. Appendix Tabell over reaksjoner som er med: R1 O3+NO => O2 + NO2 R2 O3 + OH => HO2 + O2 R3 O3+HO2 => 2*O2+ OH R4 O3+NO2 => NO3 + O2 R5 O( 1 D) + H2O =>2OH R6 OH + NO2 => HNO3 R7 OH + HNO3 => H2O + NO3 R8 OH + CO => HO2 + CO2

5 R9 OH + CH4 => CH3O2 + H2O R10 OH + CH3O2H => H2O + CH3O2 R11 OH + CH2O(+O2) => CO + HO2 + H2O R12 NO + HO2 => NO2 + OH R13 HO2+HO2 => H2O2 R14 NO + CH3O2 +(O2) => HO2 + HCHO + NO2 R15 HO2 + CH3O2 => O2 + CH3O2H R16 NO2 + NO3+M => N2O5 + M R17 O( 3 P)+O2+M => O3 R18 O( 1 D) + M => O( 3 P) + M R19 OH + HC RO2 + H2O Fotodissosiasjon J1 O3+hv O( 1 D) + O2 J2 NO2 + hv NO + O( 3 P) J3 H2O2 2 OH J4 HNO3 + hv NO2 + OH J5 NO3 + hv NO2 + O( 3 P) J6 HCHO + hv (+O2) 2 HO2 + CO J7 N2O5 NO2 + NO3

Like dokumenter

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: GEF2210 Eksamensdag: 9. oktober 2017 Tid for eksamen: 09:00-11:00 Oppgavesettet er på 2 sider Vedlegg: Ingen Tillatte hjelpemidler: Kalkulator Kontroller