UNIVERSITETET I OSLO

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: GEF2210 Eksamensdag: 11. desember 2017 Tid for eksamen: 09:00-12:00 Oppgavesettet er på 4 sider Vedlegg: Ingen Tillatte hjelpemidler: Kalkulator, Matematisk formelsamling Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Oppgave 1 a. Forklar hvordan ozon dannes i stratosfæren og i troposfæren. b. Figur 1 under viser ozonfordelingen (tykkelsen av ozonkolonnen gjennom hele atmosfæren) Forklar årsakene til den observerte fordelingen av ozonmengden. - Breddegradsvariasjonene - Årstidsvariasjonen i forskjellen mellom halvkulene Figur1: Observert tykkelse av ozonlaget (for perioden ) i mars og oktober gitt i Dobson enheter (DU).

2 c. Anta at atomært oksygen er i kjemisk likevekt (steady-state) bestemt av reaksjonene 2 og 3 i skissen under. Vis at [O] [O 3 ] = k 3 k 2 C O 2 n a 2 der C O2 er blandingsforholdet av O 2 og n a er konsentrasjonen av luftmolekyler. Figur 2. Skisse av Chapman-kjemien (oxygen-only) i stratosfæren. d. Vi ser på en luftpakke som befinner seg i 35 km høyde (n a = molekyler/cm 3 ), og som har følgende blandingsforhold [O x ] =10 ppm. Hva blir konsentrasjonen av atomært oksygen i denne luftpakken? Hva blir levetiden til [Ox] i denne luftpakken? Reaksjonskonstanter (for reaksjonene i figur 2): k 2 = cm 6 molekyl -2 s -1 k 3 = s -1 k 4 = cm 3 molekyl -1 s -1 LF: Kaller høyresiden i uttrykket Da har vi at [O] [O 3 ] = k 3 k 2 C O2 n a 2 [O] = [O 3 ]k for k Og [O](1 + k ) = [O x ]k

3 k [O] = [O x ] (1 + k ) Da er høyreside i utrykket kjent, setter inn og finner [O]= molekyler/cm 3 Levetiden til Ox (τ Ox ) er definert som τ Ox = [Ox] tap (O x ) = [Ox] 2k 4 [O][O 3 ] = [Ox] = 13.2 timer 2k 4 [O]([O x ] [O]) e. Utslipp av KFK-12 (CF 2 Cl 2 ) fører til ozonnedbrytning utenfor de polare områdene ved at frie kloratomer (Cl) produseres ved reaksjon 5 (det er flere steg i denne reaksjonen): CF 2 Cl 2 + hν (+H 2 O).. Cl + Cl + CO + 2 HF k 5 = (s -1 ) (R5) Forklar hvorfor reaksjonene (R6 og R7) fører til betydelig økt kjemisk tap av ozon. Cl + O 3 ClO + O 2 k 6 = (cm 3 /molekyl s) (R6) ClO + O Cl + O 2 k 7 = (cm 3 /molekyl s) (R7) LF: Dette gir en katalytisk nedbrytningssykel for ozon Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O Cl + O 2 Netto: O + O 3 2 O 2 f. I luftpakken har vi [CH 4 ]=1.7 ppm, [CF 2 Cl 2 ]=500 ppt. Vi antar at aktivt klor ([ClO x ] = [Cl]+[ClO]) bare tapes ved reaksjonen

4 Cl + CH 4 HCl + CH 3 k 8 = (cm 3 /molekyl s) (R8) Og at ClO x er i steady state bestemt av reaksjon R8 og R5. Det ikke er noen reaktivering av klor fra HCl. Regn ut konsentrasjonen av ClO x i luftpakken. Hint: Forholdet mellom konsentrasjonene av Cl og ClO bestemmes ved reaksjonene (R6 og R7) (anta at [Cl] er i steady-state bestemt av R6 og R7). LF: Ved likevekt for ClOx har vi P(ClOx) = L(ClOx) 2 k 5 [CF 2 Cl 2 ] = k 8 [Cl][CH 4 ] (e.1) Må først finne [Cl] uttrykt ved [ClOx]. Likevekt (SS) av Cl og ClO bestemt av reaksjon R6 og R7 k 6 [Cl][O 3 ]= k 7 [ClO][O] [Cl] = [O] k 7 [ClO] [O 3 ] k 6 Forholdet mellom [O] og [O 3 ] er bestemt av den raske null-sykelen i oksygenkjemien (R2 og R3) så dette forholdet kjenner vi fra oppgave c. Dvs. at høyresiden i uttrykket er kjent, kaller det videre for k. [Cl] = k [ClO] [Cl](1 + k ) = k [ClOx] [Cl] = Setter inn for [Cl] i likning e.1 over Da er alt kjent, løser mhp [ClOx] [ClOx]= molekyler/cm 3 k 1+k [ClOx] 2 k 5 [CF 2 Cl 2 ] = k 8 k 1 + k [ClOx][CH 4]

5 g. Vi antar at Ox i utgangspunktet var i lokal likevekt (steady-state, der [O x ]=10 ppm), dvs. at produksjonen av [Ox] (i reaksjon R1) balanserte tapet i den rene oksygenkjemien (R4). Hvor mye endrer likevektskonsentrasjonen av O x seg når vi tar med tapet i R6 og R7? LF: Ved likevekt har vi P(Ox) = L(Ox) Produksjonen (P(Ox)) er lik det rene oksygenkjemitapet, dvs. 2 k 4 [O][O 3 ] (der [O] og [O 3 ] er bestemt av den rene oksygenkjemien (Figur 2) P(Ox)= molekyler/cm 3 s Ved ny likevekt (inkluderer tap med ClOx) har vi fremdeles P(Ox) = L(Ox) Men nå er L(Ox)= 2k 4 [O][O 3 ] + k 6 [Cl][O 3 ] + k 7 [ClO][O] P = 2k 4 [O][O 3 ] + k 6 [Cl][O 3 ] + k 7 [ClO][O] Bruker at [O]=[O 3 ]k P = 2k 4 k [O 3 ] 2 + k 6 [Cl][O 3 ] + k 7 k [ClO][O 3 ] (e.2) P = 2k 4 k [O 3 ] 2 + [O 3 ](k 6 [Cl] + k 7 k [ClO]) [O 3 ] 2 + [O 3 ] (k 6 [Cl]+k 7k [ClO]) 2k 4 k P = 0 2k 4 k (e.3) I oppgave f har vi funnet [ClOx] og videre at [Cl] = [Cl]= molekyler/cm 3 [ClO]= molekyler/cm 3 k 1+k [ClOx] Innfører hjelpestørrelser b= (k 6 [Cl]+k 7k [ClO]) 2k 4 k og c= - P 2k 4 k slik at e.3 kan skrives

6 [O 3 ] 2 + b[o 3 ] + c = 0 Løser 2.gradslikningen mhp [O 3 ] [O 3 ] = b 2 ± b2 4c 2 [O 3 ]= molekyler/cm 3 = 7.0 ppm [O x ] [O 3 ], dvs. at konsentrasjonen av Ox går ned med 3 ppm, eller 30 % når vi inkluderer den katalytiske nedbrytningen av ozon pga klor. h. Så langt har vi ikke tatt hensyn at det også er NOx i stratosfæren. Hvordan vil reaksjoner mellom NOx og ClOx molekyler vil påvirke resultatet i oppgave g? Her skal du ikke diskutere betydningen av andre NOx reaksjoner på ozonkonsentrasjonen. LF: I løsningsforslaget i oppgave g har vi satt: L(Ox)= 2k 4 [O][O 3 ] + k 6 [Cl][O 3 ] + k 7 [ClO][O] Dersom vi også tar hensyn til reaksjoner mellom NOx og ClOx må vi ta med ClO + NO Cl + NO2 NO2 + hv NO + O O + O2 + M O3 + M Sammen med raeksjon R6 blir dette en null-sykel. Dvs. at det bare er reaksjonen når reaksjon R6 etterfølges av R6 vi virkelig får et ozon tap (2 Ox molekyler tapes ved R6 + R7). Da må vi skrive L(Ox) som: L(Ox)= 2k 4 [O][O 3 ] + 2k 7 [ClO][O] Dette vil også påvirke forholdet mellom Cl og ClO som vi trenger for å finne b i oppgave g. I tillegg vil NOx binde opp reaktivt klor i reservoarforbindelsen ClONO2 gjennom reaksjonen ClO + NO2 + M ClONO2 + M

7 Oppgave 2 På avstand ser røykfanen fra en pipe slik ut under fire ulike værsituasjoner (Jfr. utsikten til Nikkel fra 96-høyda i Pasvik). Nederst i figuren er det fire tenkte observerte temperaturprofiler (heltrukken linje) i nedre deler av atmosfæren (A-D). Den stiplede linjen er tørr-adiabaten (lik i alle tilfellene). Hvilke røykfaner passer med hvilke temperaturprofiler? LF: 1 og C (Nøytralt store turbulente virvler) 2 og D (Stabilt (inversjon): Lite turbulens) 3 og A (Nøytralt nede, inversjon over) 4 og B (Moderat stabilt nede, nøytralt over)

8 Oppgave 3 a) Vi observerer i vår tid en endring i konsentrasjonene av en rekke kjemiske komponenter i atmosfæren bl.a. NOx, N 2 O, CO 2, CH 4 og KFK12 En av disse komponentene har svært ulik utvikling i ulike deler av verden. Hvilken komponent er dette, og hvorfor varierer utviklingen? LF: Bortsett fra NOx har alle disse komponentene lang levetid i atmosfæren i forhold til hvor raskt luften i atmosfæren blandes selv på global skala. Avhengig av utslippstrender i ulike regioner utvikler NOx konsentrasjonene seg ulikt rundt om i verden. b) CO 2 løses i havet. Hvor stor er den relative andelen, F (i %), av CO 2 i atmosfæren vår tid? LF: Figuren viser hvordan konsentrasjonen av de ulike formene for inorgansik karbon i havet fordeler seg med ph. Med dagens ph i havet på ca 8.2 gir det at F=3%

9 c) Løsningen av CO 2 er avhengig av bl.a. surhet (ph). For tiden øker surheten pga økning av CO 2 i atmosfæren og havet. Hvordan påvirker denne effekten F? LF: Andelen som er løst i havet er gitt ved Dersom ph avtar vil [H + ] øke noe som gjør at F øker. Oppgave 4. a. Aerosoler karakteriseres ofte etter deres størrelse. En slik størrelsesklasse kalles for Accumulation Mode. - Omtrent hvor store er disse partiklene? - Nevn de vanligste kjemiske komponentene i aerosoler i accumulation mode. - Hvorfor kalles den moden accumulation mode? LF: - Størrelsen på akkumulasjonsmoden er μm. - De vanligste komponentene i akkumulasjonsmoden er sulfat (SO 4 2- ), nitrat (NO 3 - ), ammonium (NH 4 - ), organsik karbon og elemenært karbon. - Den kalles akkumulasjonsmoden fordi mindre partikler vil vokse raskt ved koagulasjon til denne størreslen før veksetn avtar (de Brownske bevegelsene blir mindre). Videre er partiklene for små til at de felles effektivt ut ved sedimentasjon. Utvasking er også miindre effektivt enn for både stører og mindre partikler fordi partiklene i akkumulasjonsmode i stor grad følger luftstrømmen rundt en fallende dråpe. I en luftmasse som er blitt tilført små ferske partikler (ved utslipp eller nukleasjon) vil partiklene etter noen tid gjerne ende opp i akkumulasjonsmoden.

10 b. Hva er forskjellen mellom sekundære og primære aerosoler? Forklar kort hva som er opphavet (utslipp og atmosfæriske prosesser) til sekundære partikler i accumulation mode. LF: Sekundære partikler dannes i atmosfæren ved nukleasjon av gasser med lavt damptrykk. Disse gassene er gjerne selv dannet ved oksidasjon av gasser som slippes ut. Primære aerosoler er partikler som slippes ut direkte. c. På hvilke(n) måte(r) kan aerosoler i accumulation mode påvirke strålingspådrivet og dermed klima? LF: For partiklene i akkumulasjonsmoden (untatt elementært karbon) vil spredningen av lys dominere over absorpsjonen. Det gjør at albedoen til Jorda øker og vi får et negativ strålingspådriv og dermed en avkjøling. For elementært karbon er det motsatt. I tillegg kan elementært karbon avsettes på snø/is og øke overflatealbedoen. Partiklene i akkumulasjonsmoden, særlig de som er vannløselige, er gode kondensasjonskjerner for skydannelse. Flere dråper og samem vanninnhold gir skyer med flere og mindre dråper som reflekterer sollys bedre (Cloud Albedo effekt) Flere og mindre dråper kan også hindre nedbørdannelse slik at levetiden til skyene øker Avkjøling.