UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: GEF2210 Eksamensdag: 12. desember 2013 Tid for eksamen: 14:30-17:30 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. Hva er en aerosol og hvilke kjemiske komponenter er de vanligste i aerosoler i atmosfæren? LF: Aerosol: Fast eller flytende partikkel (ikke vann/is) som er svevende i atmosfæren. Kjemiske komponenter i aerosoler: Små partikler: Sulfat (SO 4 2- ), nitrat (NO 3 - ), ammonium (NH 4 + ), organisk karbon (OC), elementært karbon (EC eller BC) Store partikler: Sjøsalt (NaCl) og mineralstøv. b. Hvilken betydning har endringer i mengden av aerosoler for strålingsbalansen til jorda? På hvilke måter betyr størrelsen og sammensetningen av aerosolene noe for strålingsbalansen? LF: Alle aerosoler, untatt EC, fører til spredning av solstråling og dermed økt albedo og et negativt strålingspådriv for Jorda. EC absorberer solstråling og gir et positivt strålingspådriv. Spredningen av solstråling (Mie Spredning) er mest effektiv når størrelsen på aerosolene er omtrant så stor som bølgelengden på lyset. Størrelseparameteren x er definert som (r: radius til aerosol, λ: bølgelengde til strålingen). Spredningen er mest effektiv når x 3. x = 2πr λ
Sammensetning av aerosolene har mindre betydning for spredningen, men for absorpsjonen er den viktig. EC partikler er faste partikler og vil gjerne koagulere med andre flytende partikler (for eksempel sulfat-partikler) og det dannes en hinne av flytende stoff rundt EC partikkelen. Refraksjon og intern refleksjon i aerosolpartikkelen vil øke sannsynligheten for at fotonet treffer EC partikkeln og dermed blir absorbert. c. Hva er de viktigste kildene og prosessene som gir aerosoler i atmosfæren? LF: Aerosoler dannes både ved direkte utslipp (primære partikler) og gjennom kjemiske og fysiske prosesser i atmosfæren (sekundære partikler). Nye partikler dannes gjennom nukleasjon av molekyler i gassfase som har et lavt damptrykk. Dette er gjerne H 2 SO 4 og ulike organiske forbindelser. Det er fortsatt mye som ikke er forstått når det gjelder dannelsen av nye partikelr i atmosfæren. Partiklene i nukleasjonsmoden vokser gjennom koagualsjon med andre partikler og ved kondensasjon fra gassfasen. Primære utslipp av små partikler er stort sett OC og OC d. Hva er det som gjør at partikler i akkumulasjonsmoden har lengre levetid enn både mindre og større partikler? Oppgave 2 I slutten av denne oppgaven er det oppgitt noen reaksjonlikninger og forutsetninger som skal brukes i oppgaven 2. a. Hva er de viktigste kildene for metanutslipp til atmosfæren? Hvorfor er metan viktigst for den globale ozonprodusjonen i troposfæren, mens i grenselaget over kontinentene er det mer komplekse hydrokarboner som er viktigst? b. Formaldehyd (HCHO) er et reaksjonsprodukt som dannes under nedbrytningen av metan. Hvilke reaksjoner fører til at metan gir HCHO? LF: CH 4 +OH CH 3 +H 2 O CH 3 +O 2 +M CH 3 O 2 +M CH 3 O 2 +NO CH 3 O + NO 2 CH 3 O+O 2 HCHO + HO 2 Alternativt ved lite NOx CH 3 O 2 +HO 2 CH 3 O 2 H + O 2 CH 3 O 2 H + OH HCHO + OH + H 2 O CH 3 O 2 H +hν CH 3 O + OH CH 3 O+O 2 HCHO + HO 2
c. Formaldehyd tapes ved reaksjoner med OH eller ved fotodissosiasjon gjennom reaksjonene R1, R2 og R3 under Hva blir levetiden for HCHO når [OH]=2 10 6 molkyler/cm 3 LF: Tapsreaksjonene for HCHO er reaksjonene R1, R2 og R3 under. Tapraten L HCHO for HCHO blir da L HCHO = k 1 [OH] + k 2 +k 3 Levetiden τ HCHO blir da: τ HCHO =1/ L HCHO =1/( k 1 [OH] + k 2 +k 3 ) Setter inn verdierfor reaksjonsratene under og får: L HCHO =5.4 10-5 s -1 τ HCHO =1.85 10 4 s = 5.15 timer. d. I rene bakgrunnsområder i troposfæren med lave NOx konsentrasjoner gir oksidasjon av CO netto ozontap. Vis at kriteriet for at vi har netto ozontap kan uttrykkes ved [NO] > [O 3] k 4 k 5 LF: Oksidasjon av CO gir produksjon av HO 2 radikaler gjennom CO + OH CO 2 + H H + O 2 +M HO 2 + M HO 2 radikalene kan reagere enten med ozon i R4 (ozontap) eller med NO i R5. R5 gir vidre ozonproduksjon gjennom R6 og R7. Dersom NO konsentrasjonen er tilstrekkelig høy til at flere av HO 2 radikalene reagerer med NO i stedet for med ozon får vi netto positiv ozonproduksjon. Dvs. at eller [HO 2 ] [NO] k 5 > [HO 2 ] [O 3 ] k 4 [NO] > [O 3] k 4 k 5 e. Forholdet mellom konsentrasjonene av NO og NO 2 bestemmes av en rask null-sykel. Hvis blandingsforholdet av ozon er 30 ppb, hvor høy må konsentrasjonen av NOx være for at vi har netto positiv ozonproduksjon? LF: Nullsykelen er gitt ved R6: O 3 + NO O 2 +NO 2 R7: NO 2 + hν NO + O O + O 2 + M O 3 + M
Denne sykelen er raskt og vi kan nata at NO og NO2 er i likevekt (steady state). Dvs. at tapet av NO (R6) er like stort som produksjonen av NO (R7), dvs: [NO] [O 3 ] k 6 = [NO 2 ] k 7 Legger til [NO] k 7 på begge sider av likningen [NO]{[O 3 ] k 6 + k 7 } = [NO x ] k 7 k 7 [NO] = [NO x ] [O 3 ] k 6 + k 7 Setter inn for [NO] i betingelsen fra oppgave 2d [NO x ] Setter inn verdier for [O 3 ] og for k 4 k 7. k 7 [O 3 ] k 6 + k 7 > [O 3] k 4 k 5 [NO x ] > [O 3] k 4 {[O 3 ] k 6 + k 7 } k 5 k 7 [O 3 ] =30 10-9 2.5 10 19 = 7.5 10 11 molekyler/cm 3 Finner da [NO x ] > 5.6 10 8 molekyler/cm 3 (=22 ppt) f. Formaldehyd kan fotodissosiere på 2 ulike måter (reaksjon R2 og R3 under). Har det noe å si i forhold til ozonkjemien (produksjon og tap) om R2 eller R3 inntreffer? Begrunn svaret. LF: I R2 dannesproduktene CHO og H. Disse vil reagere vidre gjennom CHO + O 2 CO + HO 2 H + O 2 +M HO 2 + M I både R2 og R3 dannes altså et CO molekyl. Forskjellen er at i R2 dannes det 2 HO 2 radikaler ekstra i forhold til i R3 I såkalte høy-nox områder (se oppgave 2c) fører dannelsen av HO 2 radikaler til ozondannelse gjennom R5-R7. I disse delene av troposfæren vil den ekstra produksjonen av HO 2 i R2 føre til høyere ozonproduksjon. I lav-nox områder dominerer R4 slik at R2 vil gi større ozontap enn R3. g. Peroksyacetylnitrat (PAN) spiller en betydelig rolle i ozonkjemien i noen deler av troposfæren. Hvilke områder (når og hvor) er dette? Begrunn svaret.
LF: PAN er et stabilt molekyl ved lave temperaturer, men spaltes forholdvis raskt ( termisk spalting) ved når temperaturen øker. CH 3 C(O)O 2 NO 2 CH 3 C(O)O 2 + NO 2 PAN dannes ved oksidasjon(ved OH) av hydrokarboner med 2 eller flere karbonatomer og når NOx er tilstede. Dersom PAN dannes litt opp i troposfæren der temperaturen er lav eller hvis nydannet PAN raskt transporteres opp, kan PAN transporteres langt i midtre og øvre troposfære, særlig om vinteren. Dersom denne luften synker ned igjen i områder der det ikke er noen betydelige utslipp av NOx fra overflaten (eller fra lyn) kan NO 2 frigjort fra PAN gjøre at NOx konsentrasjonen kommer over terskelverdien for netto ozonproduksjon. Eksempler på slike områder er Arktis om våren og subtropiske høytrykksområder over hav. I oppgave 2 antar vi temperaturen i luften alltid er, T = 25 C, konsentrasjonen av luftmolekyler n a =2.5 10 25 molekyler/m 3. Nyttige reaksjoner og reaksjonskonstanter: R1: HCHO + OH CHO + H 2 O (135/T) k 1 =5.4 10-12 e R2: HCHO + hν CHO + H k 2 = 1.4 10-5 (s -1 ) R3: HCHO + hν H 2 + CO k 3 = 2.3 10-5 (s -1 ) R4: O 3 + HO 2 OH + 2O 2 k 4 = 2 10 16 ( T 300 )4.6 e 693/T R5: NO + HO 2 NO 2 +OH k 5 = 3.5 10 12 e 270/T R6: O 3 + NO O 2 +NO 2 k 6 = 1.4 10 12 e 1310/T R7: NO 2 + hν NO + O k 3 = 5.8 10-3 For k 1, k 4, k 5 og k 6 er benevningen cm 3 molekyl -1 s -1, mens for k 2, k 3 og k 7 er benevningen s -1 Oppgave 3 a. Levende organismer trenger nitrogen for å danne bl.a. viktige enzymer. Nitrogenet stammer hovedsakelig fra N 2 i atmosfæren. Hvordan blir N 2 omdannet til komponenter som er tilgjengelige for plantene? Hvordan bidrar menneskelig aktivitet til dette? b. Denitrifikasjon fører til at biologisk tilgjengelig nitrogen overføres tilbake til N 2 som ender opp i atmosfæren. Hvorfor er denne prosessen likevel av stor betydning for vekst av planter på land?
c. Likningen under beskriver andelen av karbonet som er i atmosfæren som CO 2 i forhold til totalt uorganisk karbon i atmosfæren og havet. Omtrent hvor stor er F? Hva skjer med F dersom surheten i havet øker? d. Forklar hvorfor forvitring av bergarter som inneholder kalkstein med kalsiumkarbonat (CaCO 3 ) fører til at mer CO 2 fra atmosfæren kan tas opp i havet.