UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: GEF2210 Eksamensdag: 11. desember 2012 Tid for eksamen: 14:30-17:30 Oppgavesettet er på 2 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. Hva er de viktigste kildene for metan (CH 4 ) utslipp til atmosfæren? Er det noen fellestrekk (prosesser) ved disse kilden som gjør at metan produseres? Løsningsforslag (LF): Se Tabell 11.2 i læreboka. Felles for kildene er at det er nedbrytning av organisk materiale under anaerobe forhold (dvs, med mangel på oksygen). Da dannes metan i stedet for CO2 ved nedbrytningen. b. Det globale metanutslippet er estimert til ca. 500 Tg/år (1 Tg = 10 12 g) og midlere konsentrasjon av metan i atmosfæren er på 1700 ppb. Anta at metankonsentrasjonen er i likevekt i atmosfæren. Beregn levetiden for metan i atmosfæren. Total masse av luft i atmosfæren: 5.2 10 18 kg Molvekt for luft: 28.6 g/mol Molvekt CH 4 : 16 g/mol Løsningsforslag: Levetiden (τ) er definert som Da metan er antatt å vær ei likevekt betyr det at tapene er like store som kildene, i dette tilfellet bare utslippet. Totale massen m er gitt ved: m = 1700*10-9 *5.2 10 18 *16/28.6 = 4.9 10 12 kg Tap=utslipp=500* 10 9 kg/år τ=9.9 år
c. Oksidasjonen av metan er starten på en reaksjonskjede der karbonatomet i metan til slutt ender opp som CO 2. Skriv opp en balansert reaksjonskjede for det såkalte høy- NOx tilfellet, inkludert nettoreaksjonen. Du skal bare skrive opp en mulig reaksjonskjede og trenger ikke gjøre rede for andre muligheter. Løsningsforslag (en mulighet) CH 4 + OH CH 3 +H 2 O CH 3 + O 2 + M CH 3 O 2 CH 3 O 2 + NO CH 3 O + NO 2 CH 3 O+ O 2 HCHO + HO 2 HCHO + hυ H + HCO Her er det andre reaksjonsveier som er mulig. HCO + O 2 CO + HO 2 CO + OH C O 2 + H 2x(H+ O 2 + M HO 2 ) 4x(HO 2 + NO OH + NO 2 ) 5x(NO 2 + hυ NO + O) 5x(O 2 + O + M O 3 + M) ------------------------------------ Net: CH 4 + 10 O 2 CO 2 + H 2 O + 5O 3 + 2 OH d. NOx er en katalysator i ozonkjemien både i troposfæren og i stratosfæren, men på ulik måte. Forklar forskjellene. LF: I stratosfæren: I Troposfæren NO + O 3 NO 2 + O 2 CO + OH (+O2) CO 2 +HO 2 NO 2 + O NO + O 2 HO 2 + NO OH + NO 2 Net: O + O 3 2 O 2 NO 2 + hυ NO + O O + O 2 + M O 3 Net: CO +2O 2 CO 2 +O 3 I stratosfæren er NOx en katalysator som gir ozontap, mens i troposfæren er NOx en katalysator som gir ozonproduksjon. Forskjellen skyldes at i stratosfæren er det mye mer UV straåling slik at konsenstrasjonene av atomært okygen er betydelig (se fig. 10.4 i læreboka). Dermed blir reaksjonen NO 2 + O NO + O 2 viktig i stratosfæren men ikke i troposfæren. e. I grenselaget nede ved bakken kan økte utslipp av NOx av og til føre til at ozonkonsentrasjonen blir redusert. Forklar hvordan dette kan skje. Er det forskjell på om utslippene av NOx skjer om dagen eller om natten? LF: NOx slippes ut hovedsaklig som NO (N 2 +O 2 2 NO v/ høy temperatur i forbrenning er den viktigste kilden for NOx). NO reagerer i første omgang med ozon og gir NO 2
(NO + O 3 NO 2 + O 2 ). Dersom det allerede er tilstrekkelig høye utslipp av NOx slik at alle peroksyradikalene (HO 2 og RO 2 ) som produeseres i reaksjon 4 og 6 i figuren under reagerer med NO 2 (reaksjon 5 og 7 som gir ozon), vil ytterligere NOx utslipp bare gjøre reaksjon 9 mer effektiv og syklusen under kortsluttes. Dvs. OH som produseres (P Hox ) går direkte til HNO 3, det blir mindre OH og mindre dannelse av peroksyradikaler og mindre ozonproduksjon. Vi sier at ozonproduskjonen er hydrokarbonbegrenset og ozonproduksjonen kan estimeres ved likning 12.8 i læreboka. Om natten har vi ikke stråling dvs. at P Hox = 0. Da har vi følgende reaksjonskjede: NO + O 3 NO 2 + O 2 NO 2 + O 3 NO 3 + O 2 NO 2 + NO 3 + M N 2 O 5 + M N 2 O 5 + H 2 O 2 HNO 3 Gjennom denne kjeden vil NOx utslipp om natten alltid redusere ozon lokalt (men når dagslyset kommer kan NOx som er sluppet ut bidra til mer ozon igjen). f. Vi tenker oss en luftmasse ved overflaten i Arktis om våren. Konsentrasjonene av OH, O 3 og PAN er gitt under og endrer seg ikke. For enkelthets skyld antar vi at forholdet mellom NO og NO 2 er konstant: [NO]= 0.2 [NO 2 ] (i virkeligheten er dette avhengig av bl.a. stråling og ozonkonsentrasjonen). Videre antar vi at NO 2 er i likevekt og bare påvirket av produksjon fra PAN og tap via reaksjon med OH. Alle reaksjonsrater unntatt tapet av PAN antas å ikke være temperaturavhengig (dette er selvfølgelig også en forenkling). Ved hvilken temperatur vil oksidasjon av CO (CO + OH) gi netto ozonproduksjon i denne luftmassen (vi forutsetter at sollys er tilstede)? Tabell 1. Konsentrasjoner og reaksjonsrater for Arktisk luftmasse (oppgave 1f)
[OH] 1.0 10 6 molekyler/cm 3 [O 3 ] 40 ppb [PAN] 100 ppt n a (Luftmolekyler) 2.5 10 19 molekyler/cm 3 Reaksjonsrater OH + NO 2 +(M) HNO 3 +(M) 1 k 1 = 5.8 10-12 (cm 3 /molekyler s) HO 2 + O 3 k 2 = 1.7 10-15 (cm 3 /molekyler s) HO 2 + NO k 3 = 8.6 10-12 (cm 3 /molekyler s) PAN k 4 = 5.4 10 16 e (-13830/T) (s -1 ) 2 1 Vi antar at denne reaksjonen er ved sin high-pressure limit, og at vi derfor kan behandle den som en 2-legeme reaksjon. 2 T i uttrykket for k 4 er temperatur (i Kelvin) Løsningsforslag: HO 2 produseres i CO oksidasjonen. Kriteriet for om det blir positiv netto ozonproduksjon er om reaksjonen HO 2 + NO OH + NO 2 (Produksjon av O 3 ) Går raskere enn tapsreaksjonen HO 2 + O 3 OH + 2O 2 Dvs. k 3 [HO 2 ] [NO]>k 2 [HO 2 ] [O 3 ] L1 Vi har antatt at NO 2 er i likevekt. Produksjonen kommer bare fra dekomponering av PAN, mens tapet bare er gjennom reaksjon 1. Ved likevekt har vi at Videre har vi antatt at [NO] = 0.2 [NO 2 ] 0.2 Reaksjonskonstanten k 4 er temperaturavhengig, dvs. at [NO] er temperaturavhengig. 0.2. / L2 Setter vi inn L2 i L1 får vi 0.2 5.4 10 e / Løser vi ulikheten mhttemperaturen T, og setter vi inn verdiene fra tabellen over får vi T >268.5K
Dersom temperaturen er høyere enn ca. -5 C blir PAN tilstrekkelig termisk ustabil til at nok NO 2 frigjøres til at NO nivået blir tilstrekkelig høyt til å gi netto positiv ozonproduksjon. Oppgave 2. a. Hva er de viktigste utslippene (komponenter og prosesser) som påvirker surheten (ph) i nedbør? LF: I det naturlige systemet vil CO 2 (som løses i vann og danner karbonsyre H 2 CO 3 ) gjøre at ph i skyvann ligger på ca. 5.6 Utslipp av SO 2 og NO x er de viktiske bidragene til økt surhet ved at de oksideres i atmosfæren til svovelsyre H 2 SO 4 og salpetersyre HNO 3. SO 2 kommer i hovedsak fra brenning av kull og olje som inneholder svovel), mens NOx utslipp kommer fra forbrenning der N 2 i luften reagerer med O 2 i luften under høy temperatur. b. På hvilke måter påvirker tiltak mot sur nedbør klima? LF. Tiltak for å redusere SO 2 og NOx utslipp gjør at mengden av sulfat- og nitratpartikler blir redusert. Disse partiklene sprer sollys og virker avkjølende på klima. I tillegg er de gode CCN og har dermed indirekte effekter via skyendringer. F. eks. vil antall skydråper bli redusert og dermed blir skyenes albedo redusert ( oppvarming) ved reduksjon av utslippene. c. Økte utslipp av CO 2 påvirker ph i havet. Opptaket av CO2 i havet er et bufret system. Hva mener vi med det? (Forklar gjerne ut fra karbonkjemien i havet). LF. CO 2 løses i havet gjennom reaksjonene under. CO 2 H 2 O er en svak syre slik at i havet er mesteparten av karbonet i form av bikarbonat HCO 3 -. Når mer CO 2 (g) tilføres reduseres ph og den siste av reaksjonene over forskyves mot venstre og noe av ph økning kompenseres. Dette er et eksempel på det vi kaller et bufret system og kan uttrykkes ved nettolikningen:
Når svært mye CO 2 tilføres vil menged av CO 3 2- reduseres og bufferkapasiteten blir etter hvert redusert slik at mindre CO 2 kan tas opp.