Side UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: GEF0 Eksamensdag: 0. oktober 04 Tid for eksamen: 0.00-.00 Oppgavesettet er på 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 a. Hva er de viktigste kildene for metan til atmosfæren? Oppgi gjerne omtrentlig størrelse på kildene. b. Skriv opp en reaksjonssekvens for oksidasjon av metan til CO i et såkalt Høy-NOx regime. c. Hvilken rolle spiller NOx nivået for evt. ozondannelse ved nedbrytning av metan? d. Gjør kort rede for hvordan ozonendringer i ulike høyder av atmosfæren har betydning for ulike miljøproblemer. Oppgave a. Forklar hvordan OH radikaler dannes i troposfæren. LF: O3 + hv O + O( D) λ<30 nm O( D) + HO OH b. Anta at blandingsforholdet av karbonmonoksid er ved overflaten 06 ppb, hvor stor er konsentrasjonen i molekyler/cm 3?
Konsentrasjonen av luftmolekyler total ved overflaten er: n a =.7 0 9 molekyler/cm 3. LF: nco = C CO n a = 06 0-9.7 0 9 =.8 0 molekyler/cm 3 c. I denne deloppgaven skal vi se på fotodissiosiasjonen av ozon med produksjon av det eksiterte oksygenatmomet (O( D). Vi antar at den aktinske strålingsfluksen som funksjon av bølgelengde (λ i nm) er gitt ved I ( ) I oe der I o =.0*0 - fotoner/(cm nm s) og α = 0.5 nm - Absorpsjonstverrsnittet for ozon er gitt ved ( ) e der σ o =.0*0 8 cm og β= 0.0 nm - o For Quantum yield (q) antar vi: q=.0 for λ< λ m og q=0 for λ λ m, der λ m =30 nm Vis at reaksjonskonstanten (photolysis rate constant i læreboka) for produksjonen av O( D) (s - ) er gitt ved k I 0 0 e ( ) m LF: Ratekonstanten for fotolyse blir beregnet ut fra utrykket k 0 I( ) ( ) q( ) d Fordi q=0 for λ λ m blir dette da k m 0 I( ) ( ) q( ) d Setter vi inn utrykkene for aktinsk fluks (I), og absorpsjonstverrsnitt (σ) og integrerer får man utrykket over. d. Vi antar at blandingsforholdet av ozon er 30 ppb. Vi antar videre at % av O( D) radikalene som dannes reagerer videre med vanndamp. Hvor stor blir produksjonsraten av OH radikaler? LF: Produksjonen av OH radikaler er gitt ved P OH =*0.0*P O(D) =*0.0*k*[O3] k beregnes ut fra utrykket og verdiene i oppgave c k=.78e-05 s - P OH =*0.0*.78E-05*30*.0E-9*.7E9=.88E+05 (molekyler/cm3*s)
e. Videre antar vi at blandingsforholdet av karbonmonoksid er 06 ppb, og at reaksjonen med CO er det eneste vesentlige tapet av OH-radikaler. Reaksjonskonstanten for reaksjonen CO + OH er k= 0-3 cm 3 /(molekyl s) Hva blir steady-state konsentrasjonen av OH? LF: Steady-state konsentrasjonen av en komponent er gitt som [X] SS =P/L Her er L OH =k*[co]=k*06*.0e-9*.7e+9 [OH] SS =.88E+05/5.7E-0=5.0E+05 molekyler/cm3 f. Hvordan oksideres svoveldioksid til svovelsyre (H SO 4 ) i atmosfæren? LF: Gassfase: Væskefase (i skydråper): Oksidasjonen i væskefase er vanligvis den viktigste. Begge mekanismene er avhengig av sollys fordi Oh danens ved sollys (se oppgave a) og HO danens av HO (som kommer fra OH) gjennom reaksjonen HO + HO HO + O g. Svoveldioksid (SO ) slippes ut fra en punktkilde slik at initialkonsentrasjonen av SO i en luftpakke som forlater kilden er 50 ppb. Luften er skyfri, og OH konsentrasjonen i luftpakken er hele tiden som beregnet i oppgave e. Vindhastigheten er 5 m/s og ratekonstanten (første-ordens) for innblanding av luft fra omgivelsene er k dil = 0-4 s -. Konsentrasjonen av både SO og H SO 4 i omgivelsene er null. Reaksjonskonstanten for reaksjonen mellom SO og OH er k =5.0 0 - cm 3 /(molekyl s)
Hva blir blandingsforholdet av H SO 4 i luftpakken0 km og 00km nedstrøms for utslippet? LF: Fordi OH-konsentrasjonen i luftpakken hele tiden er den samme vil ikke tapsraten av SO mhp oksidering til SO4 endres under innblandingen av luft fra omgivelsene. Vi kan derfor først sette opp en massebalanselikning for mengden av SO som blir oksidert. d SO dt Der = 39700 s k OH t / k OHSO SO ( t) SO ( t 0 e ) Transport til 0km tar: t 0 =0 4 /5 = 000 s, dvs. at andelen SO som er oksidert er 000/ e eller 5%, og etter 00 km er 40% oksidert Massebalanselikningen for fortynning av totalt svovelinnhold er S k S t / S ( t) S ( t 0) e d dt Der k dil dil = 0000 s 000/ dvs. at konsentrasjonen av S (summen av S som SO og HSO4) er redusert til e = 8%, og etter 00 km til 4% av den opprinnelige konsentrasjonen Blandingsforholdet av HSO4 blir da: - Etter 0 km: 50*0.05*0.8=.0 ppb - Etter 00 km: 50*0.4*0.4=.7 ppb
a: b
Comment [t]: En av disse c. NOx reagerer med RO/HO i R8 og R0 (flere ganger). Dermed dannes NO uten at ozon brytes ned (slik det blir når NO + O3 NO + O) Fotoddissosiasjon av NO (R) gir dermed ozonproduksjon, der NOx inngår som en katalysator. Ved lave NOx nivå vil reaksjonen HO + O3 OH + O) dominere over R0 (og tilsvarende for R8). Det beryr at ved lave NOx nivå gir metanoksidasjonen ozontap. d.