Eksamen GEF2210 6. desember 2005 Tillatte hjelpemidler: Kalkulator Oppgaven består av 4 oppgaver med 3 til 5 deloppgaver. Alle deloppgaver teller like mye. 1. Klimaendringer og aerosoler 1.1 Forklar hvilke egenskaper et molekyl må ha for å være en drivhusgass. 1.2 Figuren under viser observert strålingsspektrum på toppen at atmosfæren i bølgelengdeområdet for langbølget varmestråling fra jorda. Forklar årsakene til det observerte spekteret. 1
1.3 Definer begrepet strålingspådriv (radiative forcing). Hvordan påvirker endringer av mengden av aerosoler strålingspådrivet? 1.4 Økningen av ozon i troposfæren pga. utslipp fra menneskelig aktivitet har bidratt betydelig til et økt strålingspådriv. Diskuter mulige strategier for å redusere ozonmengden i troposfæren slik at strålingspådrivet reduseres på en effektiv måte. 2. Biogeochemical cycles 2.1 Hvor stor har økningen i CO 2 konsentrasjonen i atmosfæren vært siden 1750? Oppgi svaret i ppm og i %. N CO2, g 2.2 F = representerer andelen av CO 2 i atmosfæren i forhold til total N CO2, g + N CO2, aq mengden CO 2 i atmosfæren og i havet. Hvordan påvirkes verdien av F av endringer i ph i havet? 2.3 Hvilken betydning har dette for andelen av CO 2 utslipp fra forbrenning av fossile brensler som blir værende igjen i atmosfæren? 2.4 Økte CO 2 konsentrasjoner i atmosfæren fører til et positivt strålingspådriv (oppvarming). Hvilke konsekvenser for strålingspådrivet av fremtidige utslipp av CO 2 har svaret i oppgave 2.3? 2.5 Hvordan vil en tenkt ekstra tilførsel av karbonat ioner (CO 3 2- ), for eksempel gjennom økt forvitring av kalkstein (CaCO 3 ), ha for opptaket av CO 2 i havet? Begrunn svaret. 2
3. Ozonkilder i troposfæren 3.1 Ozon produseres i troposfæren ved oksidasjon av CO og hydrokarboner når NOx er tilstede. Vi antar at CO og CH 4 oksideres til CO 2 gjennom følgende reaksjonssekvens: 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 CH 2 O + HO 2 CH 2 O + OH CHO +H 2 O CHO + O 2 CO + HO 2 CO + OH CO 2 + H H + O 2 + M HO 2 + M HO 2 + NO OH + NO 2 NO 2 + hν NO + O O + O 2 + M O 3 + M R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 Skriv opp netto reaksjonen for CO til CO 2 for mekanismen over. Gjør det samme for oksidasjonen av CH 4 til CO 2. 3.2 Dagens utslipp er beregnet til 3x10 13 mol år -1 av CH 4 og 4x10 13 mol år -1 for CO. Bruk resultatet i oppgave 3.1 til å estimere den globale produksjonen av ozon i troposfæren fra CO og CH 4 oksidasjon. Forklar hvorfor dette estimatet trolig overestimerer den globale produksjonen av ozon i troposfæren fra CO og CH 4 oksidasjon. 3.3 Ozon blir også transportert ned fra stratosfæren til troposfæren. Beregn størrelsen på denne kilden for ozon til troposfæren ved å bruke en 2-boks modell for utvekslingen mellom troposfæren og stratosfæren hvor k ST = 0.7 år -1 er hastighetskonstanten for utveksling av luft fra stratosfæren til troposfæren og k TS = 0.14 år -1 er hastighetskonstanten for utveksling av luft fra troposfæren til stratosfæren. Observasjoner indikerer at atmosfæren inneholder 5x10 13 mol av O 3 og at 90% er i stratosfæren (de siste 10% i troposfæren). Ut fra resultatene i oppgavene over, hva kan vi si om den relative betydningen av ozontransport fra stratosfæren og kjemisk produksjon i troposfæren som kilder for troposfærisk ozon. 3
4. Ozonproduksjon ved CO oksidasjon. 4.1 Anta at vi har et en luftmasse som blåser over et byområde slik at blandingsforholdet av NOx blir 2 ppbv i det luftmassen forlater området, ingen utslipp etter dette. Hva er konsentrasjonen (number density) av NOx ([NO x,0 ])? Konsentrasjonen (number density) av luftmolekyler er: n a = 2.8x10 19 molekyler/cm 3 4.2 Anta videre luftmassen transporters med konstant hastighet U (5m/s) og at NOx bare tapes gjennom reaksjon R12 NO 2 + OH + M HNO 3 + M R12 Anat videre at [OH] = 2x10 6 molekyler/cm 3 (konstant), og k 12 = 5.8x10-12 cm 3 /molekyler s Vis at konsentrasjonen av NOx som en funksjon av avstanden nedstrøms fra byområdet er gitt ved: ( k12 [ OH ] d / U ) [ NO ]( d) = [ ] exp x NO x,0 Vi antar at vi kan se bort fra kilder for NOx fra NOx reservoar (HNO 3, PAN, N 2 O 5, etc.). 4.3 Anta at blandingsforholdet av ozon er 50 ppbv og at reaksjonskonstantene for R13-R17 er gitt ved: O 3 + NO O 2 + NO 2 R13 k 13 = 1.4x10-14 (cm 3 /molekyler s) NO 2 + hν NO + O R14 k 14 = 7x10-3 (1/s) O+ O 2 + M O 3 + M R15 k 15 = 1.9x10-14 (cm 3 /molekyler s) HO 2 + O 3 OH + 2 O 2 R16 k 16 = 1.7x10-15 (cm 3 /molekyler s) HO 2 + NO OH + NO 2 R17 k 17 = 8.6x10-12 (cm 3 /molekyler s) Hvor langt må luftmassen transporteres før CO oksidasjonen endres fra å gi en netto produksjon av ozon til å gi et netto tap av ozon? Hint: Utled først et uttrykk for [NO]/[NOx] forholdet basert på den raske null-sykelen R13+R14+R15. 4
Her følger løsningsforslaget. Det består av både håndskrevne notater, maskinskrevet tekst og figurer fra boka. Noen svar er gitt som stikkord. På eksamen er det meningen å skrive kort, men utfyllende. 1. Klimaendringer og aerosoler 1.1. Drivhusgass Egenskaper; Ser på LW. Absorberer ikke SW solstråling, men absorberer LW stråling fra jorda. Assymetrisk ladningsfordeling i molekylet. Dipolmoment endres (vibrasjon el. Rotasjon) 1.2. Figuren er fig. 7.8. fra boka hvor navnet på gassene er tatt bort. 5
De som driver med stråling liker bølgetall (cm -1 ), ikke bølgelengde som vi foretrekker. Det kan virke litt forvirrende. Vi regner om ved: 600cm -1 1 1 6 : = = 16,67 10 m = 16,7μm 1 4 1 600cm 6 10 m 800cm -1 : 1 1 6 = = 12,5 10 m = 12,5μm 1 4 1 800cm 8 10 m Se O 3 i 9,6μm (~1050 cm -1 ). Ellers ser vi at mellom 800 cm -1 og 1000 cm -1 følger den observerte kurven strålingskurven for svartlegeme med T=320K. Dvs. at her ser vi strålingen fra bakken, atmosfæren absorberer ikke i dette spekteret. 1.3. Strålingspådriv Se figur 7.14 fra boka: F: en liten forskjell i stråling ut. Alt holdes konstant/likt, bortsett fra at man legger til en masse m av en drivhusgass X. Får da en endring i strålingsbalansen. Aerosoler, direkte effekter: BC (sot): Sulfat, nitrat, salt, mineralstøv: Oppvarming Avkjøling 6
Indirekte aerosoleffekter, påvirker skyer/skydråper Twomey (1. indirekte effet): Mindre dråper økt skyalbedo (reflekterer mer innkommen solstråling) Albrecht (2. indirekte effekt, cloud lifetime effect ): Mindre dråper mindre nedbør, skyene vedvarer lenger. Iflg. IPCC 4AR (2007) så defineres Twomey som en forcing, mens Albrecht regnes som en feed-back, jfr. Terje K. Berntsen. 1.4. Ozon i troposfæren O 3 : balanse mellom CO/VOC & NO x. NO x -begrenset størsteparten av kloden (bortsett fra sterkt forurensede bysentra). Man bør redusere NO x først. 7
2. Biogeochemical cycles 2.1. CO 2 -økning 1750 til i dag: Se fig. 7.1. 1750: 280 ppm 2000: 380 ppm Dvs. 100 ppm økning i absolutt, og prosentvis (100/280) 100% = 36% økning. 2.2. F & endring pga. ph i havet Se figur 6.8 fra boka: CO 2 CO 3 2- bufferkapasitet (s.100) ph = 8,2 F = 0,03 (boka s.100) Surere F øker Men : nitrat gjør at det blir surere, men kan samtidig virke som gjødsel. 2.3. Andel CO 2 fra forbrenning Økte CO2-utslipp vil redusere ph. F vil øke (F er veldig følsom for ph, se fig. over). f: andel av de ekstra utslippene som blir værende i atmosfæren. 28% ved likevekt (boka s. 103). Men det er ikke likevekt med dyphavet. Dave Lowe (NZ): f~100%. 8
2.4. Konsekvenser av fremtidige, økte CO 2 -utslipp Frihåndstegning (TFB/TKB): 2.5. Økt tilførsel av karbonat (boka s. 106) På tidsskala ~1000 år så vil økt tilførsel av karbonat, f.eks. CaCO 3 fra havbunnen øke ph og derved redusere f (andel ekstra CO 2 sluppet ut). f = 7% (prb. 6.9). Men det er ikke likevekt med dyphavet!! CO 2 : øker nå med noen pr år. Likevekt med dyphavet: ~1000 års tidsskala. Dvs. at økningen i CO 2 er for stor og for rask til at systemet kan innstille seg i likevekt. 9
3. Ozonkilder i troposfæren Dette ligner uforskammet mye på oppgave 11.2. fra boka. Her gjengir jeg løsningsforslaget jeg ga ut for noen uker siden (litt stokket om). 11.2. Sources of Tropospheric Ozone Oppgave III.1 fra eksamen (11.2.2.1.) D.J. Jacob: Comment, UiO: Net reaction, means that we have CO + xo something CO 2 + yo something CO-oks. Comment: CO + OH (O 2 ) CO 2 + HO 2 Start with CO on left side HO 2 + NO OH + NO 2 Find reaction with HO 2 on left side NO 2 + hν (O 2 ) NO + O 3 Must have NO 2 on left side Net: CO + 2O 2 + hν CO 2 + O 3 10
Net reaction, means that we have CH 4 + xo something CO 2 + yo something and/or zh something CH4-oks. Comment: CH 4 + OH (O 2 ) CH 3 O 2 + H 2 O Start with CH 4 on left side CH 3 O 2 + NO CH 3 O + NO 2 Find reaction with CH 3 O 2 on left side CH 3 O + O 2 CH 2 O + HO 2 Find reaction with CH 3 O on left side CH 2 O + OH CHO + H 2 O Find reaction with CH 2 O on left side CHO + O 2 CO + HO 2 Find reaction with CHO on left side 2 (HO 2 + NO OH + NO 2 ) Must have HO 2 on left / OH on right 3 (NO 2 + hν (O 2 ) NO + O 3 ) Must have NO 2 on left and NO right Intermediate net: CH 4 + 6O 2 + hν CO + 3O 3 + 2H 2 O CO + OH (O 2 ) CO 2 + HO 2 Include CO oxidation from above HO 2 + NO OH + NO 2 --//-- NO 2 + hν (O 2 ) NO + O 3 --//-- Final net: CH 4 + 8O 2 + hν CO 2 + 4O 3 +2H 2 O Oppgave III.2 fra eksamen (11.2.2.2) D.J. Jacob: Comment, UiO: From the reaction schemes above we know that; - for each CO molecule oxidized, there will be one O 3 produced - for each CH 4 molecule oxidized, there will be four O 3 produced Then number of O 3 molecules produced is; 4 (emissions of CH 4 ) + 1 (emissions of CO) NB! Her antar vi NOx-rikt regime. Denne antagelsen er ikke gyldig for hele atmosfæren. Det finnes også andre reaksjonsveier for CH 2 O, f.eks. CH 2 O + hν CO + H 2 Denne vil gi mindre effektiv O 3 produksjon. 11
Oppgave III.3 fra eksamen (11.2.1) D.J. Jacob: Comment, UiO: F ST = 0.7y -1 0.9 5 10 13 0.14y -1 0.1 5 10 13 = 3.15 10 13 0.07 10 13 = 3.08 10 13 (unit moles y -1 ). Relativ betydning: Total troposfærisk produksjon: (3,1+16) 10 13 = 1,9 10 14 Transport fra stratosfæren: 3,1 / 19 = 16% Kjemisk produksjon i troposfæren: 84% Betraktning omkring dette: I NOx fattige omgivelser så kan HO 2 tapes ved f.eks HO 2 + HO 2 H 2 O 2 + O 2 eller HO 2 + O 3 OH + 2O 2. Denne siste fjerner O 3. I NOx rike omgivelser så vil HO 2 gå gjennom reaksjonen HO 2 + NO OH + NO 2 (denne gir produksjon av O 3 ). Skjebnen til HO 2 kan brukes som et mål på om det er NO x -fattig eller NO x -rikt miljø. Ellers Det er en forskjell mellom CH 4 /HC og CO mht. Den bestemmende NO-reaksjonen: CH 4 /HC: CH 3 O 2 + NO CO: HO 2 + NO 12
4. Ozonproduksjon ved CO oksidasjon. 13
14
15
16
17
18