UNIVERSITETET I OSLO

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: GEF2210 Eksamensdag: 12. desember 2016 Tid for eksamen: 14:30-17:30 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 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 for k Da har vi at Og

3 Da er høyreside i utrykket kjent, setter inn og finner [O]= molekyler/cm 3 Levetiden til Ox (τ Ox ) er definert som 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) 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 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).

4 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] 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. Setter inn for [Cl] i likning e.1 over Da er alt kjent, løser mhp [ClOx] [ClOx]= molekyler/cm 3 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)

5 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)= Bruker at [O]=[O 3 ]k (e.2) (e.3) I oppgave f har vi funnet [ClOx] og videre at [Cl]= molekyler/cm 3 [ClO]= molekyler/cm 3 Innfører hjelpestørrelser b= og c= - slik at e.3 kan skrives Løser 2.gradslikningen mhp [O 3 ] [O 3 ]= molekyler/cm 3 = 7.0 ppm

6 [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. Oppgave 2 a) En kjemisk komponent slippes ut ved bakken. Omtrent hvor lang tid tar det å transportere den henholdsvis gjennom grenselaget, til den øvre troposfære og til stratosfæren? b) En kjemisk komponent slippes ut på midlere breddegrader på nordlige halvkule. Omtrent hvor lang tid tar det å transportere den henholdsvis sonalt rundt jorda, meridionalt til ekvator og til den sørlige halvkule? c) Hva er våtavsetning og hva er tørravsetning? d) Hvordan uttrykkes levetiden for total avsetning ved levetidene for våtavsetning og tørravsetning? 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? b) CO 2 løses i havet. Hvor stor er den relative andelen, F (i%), av CO 2 i atmosfæren vår tid? 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?