GEO1030: Løsningsforslag kap. 9 og 14 Sara M. Blichner October 16, 2017 Kapittel 9 Review questions: 1 Hva er kravene for at et område skal kunne være et opphavsområde for luftmasser (source region)? Det tar flere dager for luft å tilegne seg egenskaper fra området den er i altså, det tar flere dager å kjøles ned, varmes opp eller endre fuktigheten. Derfor må et opphavsområde ( source region ) være et område hvor lufta forblir over tid. Det er blant annet derfor midlere breddegrader ikke er opphavsområder: på grunn av ferrelcellen og dens vekslende vær vil ikke lufta forbli over disse områdene lenge nok til å ta egenskapene derfra. Vi har derfor opphavsområder på høye og lave breddegrader. I tillegg må områdene være av en viss størrelse: Island er for eksempel stort nok til å danne luftmasser. 4 Av de 5 luftmassetypene, hvilken er varmest, tørrest, kaldes og våtest? Varmest: ct. Den er varmere enn mt fordi kontinentet har lav varmekapasitet og det er ofte lite fuktighet altså går det meste av innstrålingen til følbar varme (altså hever temperaturen). Tørrest: ca, særlig om vinteren. Dette handler primært om at temperaturen er så lav at det er umulig for lufta å holde på fuktighet. Eksempelvis kan luft ved -30 C bare holde 0.24g per kilo luft. Kaldest: ca, særlig om vinteren. Mest fuktighet: mt. Dette er luftmasser som blir varmet opp pga mye innstråling (nær ekvator) pluss at det er uendelig tilgang på vann (havet). Dermed vil luftmassene både være varme slik at de kan holde mye fuktighet, i tillegg til at det er nok vann tilgjengelig for fordampning. 5 Hvilke luftmasser er stabile og hvilke er ustabile? cp og ca er ekstremt stabile om vinteren pga strålingsnedkjøling (radiative cooling) ved bakken (fordi vi ikke mottar sollys her + høy albedo). Luftmassene kjøles dermed ned nedenfra, hvilket kan skape ekstremt stabile forhold med bakkeinversjoner. mp kan være lett ustabile om vinteren og gi godværs cumulusskyer. ct er ustabile fordi høy innstråling varmer opp bakken og dermed luftmassen nedenfra. Dermed får vi temperaturer som synker raskt med høyden (høy lapse rate). Fordi det er lite tilgjengelig fuktighet, vil det være vanskelig for lufta å bli løftet høyt nok til at lufta blir mettet med vanndamp (det instabile laget er ikke høyt nok) og det derfor som regel likevel være fritt for skyer. mt luftmasser er svært ustabile. Disse dannes under varme forhold med mye vann tilgjengelig for fordampning og er dermed svært fuktige. Varme og mye tilgjengelig fuktighet kan gi opphav til tropiske sykloner eller bare kraftige tordenstormer og sterk nedbør. 6 Hva er den viktigste forskjellen mellom Arktiske og polare luftmasser? Arktiske luftmasser danner en front til de polare luftmassene. Den arktiske fronten når ikke høyt opp i atmosfæren og dens evne til å gi nedbør er derfor liten (lufta løftes ikke høyt nok til å gi nedbør). Arktiske luftmasser er enda kaldere og tørrere enn polare. Merk at vi ikke snakker om maritime arktiske luftmasser fordi lufta er så kald at den maritime kvaliteten blir borte. 7 Beskriv strukturen til kalde og varme fronter (Stationary og okluderte fronter er ikke på pensum.) Fronter er grenser eller overgangssoner mellom 1
Figure 1: Den arktiske front varme og kalde luftmasser. Disse er viktige av to grunner: (1) hvis en front beveger seg over et område vil det føre til voldsomme temperaturendringer i området. (2) Kald luft har høyere tetthet og er tyngre enn varm luft, derfor vi den varme luften kunne løftes over den kalde i en front og føre til skydannelse og sterk nedbør. Kald front: Når kalde luftmasser beveger seg mot varmere luftmasser Helning: 1:100m. Helningen er bratt fordi den kalde lufta opplever friksjon ved bakken og bremses her. Gir typisk kraftig bygenedbør som er relativt kortvarig. Varm front: Når varme luftmasser beveger seg mot kaldere luftmasser. Helning: 1:200m. Helningen er moderat fordi den kalde lufta opplever friksjon ved bakken og bremses her. Gir typisk relativt lett, langvarig nedbør. En kommende varmfront kan gjenkjennes ved at det først oppstår lette cirrus-skyer, for så å utvikle seg tettere og tettere stratusskyer. Figure 2: Kald front Vi får for eksempel varme og kalde fronter i forbindelse med ekstratropiske sykloner (sykloner ved midlere breddegrader). Her vil polarfronten utvikle seg til å bli en syklon ved at kalde luftmasser blåser sørover på vestsiden av lavtrykksenteret (til venstre) mens varme tropiske luftmasser blåser nordover øst for lavtrykksenteret (til høyre). Dermed får vi en kald front til venstre for lavtrykket og en varmfront til høyre, slik figur 2 viser. 8 Beskriv endringene som forekommer når en kontinental lufmasse forflytter seg ut av sitt opphavsområde (source region). 2
Figure 3: Kald front Figure 4: Varm front Når en luftmasse beveger seg ut av sitt kildeområde, så vil den gradvis endre karakter ettersom den beveger seg i andre miljøer. F.eks hvis luftmassen beveger seg over hav eller bare et fuktig område, vil den ta opp mer og mer fuktighet og slik endre seg. Hvis den beveger seg over områder med mer innstråling som er varmere, vil den sakte varmes opp og fronten vil dermed bli mindre og mindre ekstrem. 9 Hva er overrunning? Overrunning er når varm luft i en varm front renner over den kalde lufta fordi den kalde lufta har høyere tetthet/er tyngre. 10 Hvorfor er kalde fronter brattere enn varme fronter? I en kaldfront er det den kalde lufta som beveger seg mot den varme lufta. Den varme lufta blir så presset opp og over den kalde fronte, derfor skrår fronten i det heletatt. I en kald front vil den kalde lufta som beveger seg nær bakken oppleve mer friksjon enn den lufta som er høyere opp. Derfor vil den miste mer hastighet jo lengre ned vi kommer og vi får dermed en krappere stigning jo nærmere bakken vi er. I en varm front vil det være den varme lufta som beveger seg mot den kalde og renner over den kalde. Vi får dermed den motsatte effekten: lufta høyere oppe beveger seg raskere mot den kalde lufta og skaper en slakere stigning. Critical thinking: 3. Vi vil finne flest endringer i luftmasser rundt der polarfronten ligger. Dette varierer noe med sesong, men særlig de nordlige delene av USA er særlig utsatt. 4. Himalaya-fjellene skaper en barriære for kontinentale luftmasser slik at de ikke når India. 8. Kontinental, polar luft er kald og dermed har den høyere lufttetthet. Dette betyr at luften tar mindre plass og at 500mb- eller 300mb-nivået ligger lavere enn for en varmere luftmasse. 3
0.1 Problems & Exercises: 1. a) mt (maritim tropisk). Luften er varm og har høy duggpunktstemperatur. b) ca (kontinental arktisk). Luften er ekstremt kald. Duggpunktstemperaturen er nær temperaturen fordi luft som er så kald kan holde ekstremt lite vanndamp. Dermed skal det svært lite til for at luften skal bli mettet med vanndamp. c) cp (kontinental polar). Det er kaldt, men ikke like kaldt som arktisk luft. Duggpunktstemperaturen er 3 grader lavere enn temperaturen, så luften er ikke mettet og veldig tørr. d) ct (kontinental tropisk). Det er svært varmt og veldig tørt (duggpunktstemperaturen er -4 C). Kapittel 14 Review questions: 1 Forklar forskjellen på primære og sekundære forurensning Primære forurensning er forurensning som slippes direkte ut i atmosfæren, sekundær forurensning gjennomgår oppstår i atmosfæren ved kjemiske reaksjoner. Et stoff som i utgangspunktet er ufarlig kan reagere i atmosfæren og produsere en forurenser. Et eksempel på dette er ozon. 2 Hva er aerosoler og hvordan kommer de seg til atmosfæren? Aerosoler er klumper med faste eller flytende stoff som svever rundt i atmosfæren. De kan ha både naturlige og antropogene kilder. De kan slippe ut som partikler (støv, salt ect) direkte eller de kan dannes i atmosfæren (photokjemisk tåke ect, SO2 ect). Hvis de slippes ut som partikler (havsalt, støv, aske, sot ect) så kaller vi dem primære aerosoler, mens hvis de dannes i atmosfæren kaller vi dem sekundære aerosoler. 3 Hva er de to prosessene som fjerner aerosoler fra atmosfæren? Våt deposisjon: Aerosolene fungerer som kondensasjonskjerne og danner grunnlag for en en skydråpe som deretter regner ut av atmosfæren eller de blir fanget i fallende regndråper. Tørr deposisjon: Aerosolene blir store og tunge og faller til bakken. Dette er kun effektivt for de store aerosolene. 4 Hva er PM10 and PM2.5? Er en av disse mere helsefarlig enn den andre? PM10 klassen av aerosoler/partikulærer som har diamenter mindre enn 10 micrometer. P2.5 er klassen av aersoler som har diameter mindre enn 2.5micro meter. PM10 er aerosoler som er så små at de lett blir med inn i lungene. De vil forsvinne etterhvert (lungene fjerner dem), men det tar lang tid. Disse ble først antatt å være de farligste, men forskning har senere kommet fram til at en enda smalere gruppe partikler er spesielt farlige, nemlig PM2.5. 5 Nevn de viktigste gassene som bidrar til luftforurensning Carbon monoxide: Fargeløs og luktfri. Kilder og sluk: I naturen er det vulkanutbrudd, skogbranner og bakterier som står for utslippene, mens av antropogene kilder har vi f.eks ufullstendig forbrenning, for eksempel i bilmotorer. I naturen vil nedbrytning i naturen og av jordbakterier være effektiv nok til å hindre utrygge konsentrasjoner, mens i byer og særlig i lukkede områder som tunneller, kan konsentrasjonene bli farlige. Biler er største kilde i USA (og dermed sikkert i norge). Dødelig i svært små doser fordi det tar oksigenets plass på hemoglobinet. Svoveldioksid (SO 2 : 4
Kan forekomme både som gass og kondensert i væskeform i dråper. 2/3 av utslipp av sulfur komponenter er fra naturlige kilder. Varme kilder f.eks slipper ut H 2 S (det som lukter kokt/rottent egg). Vulkaner kan slipper også ut store mengder. De naturlige utslippene er imidlertid spredt, så i gjennomsnitt er det lave konsentrasjoner. Antropogene utslipp: SO2 og SO3= SOx. Slippes ut ved forbrenning av fossilt som inneholder svovel og smelteverk f.eks. i Nikkel (Russland). SO 3 kan slippes ut men dannes også fra SO2 som en sekundær forurenser. SO 3 kan videre danne svovelsyre gjennom å reagere med vann: SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 Svovelsyre: Svovelsyre kan igjen tas opp i regn og gi sur nedbør (eller bare tørrdeposere fordi det kondenserer på aerosoler) som er skadelig for plante- og dyreliv. Svoveldioksid irriterer pustesystemet. NO og NO 2 =NOx: Store naturlige utslipp fra biologiske prosesser. Store utslipp også fra forbrenning ved høye temperaturer, f.eks i biler. Svært reaktivt. Bidrar blant annet til ozonproduksjon Nitrogendioksid (NO 2 er helseskadelig. kan danne salpetersyre (HNO 3 ) som gir sur nedbør. Dannes i dieselmotorer blant annet. Hydrokarboner eller flyktige organiske stoffer(vocs): organiske stoffer som lett fordamper ved atmosfæriske temperaturer. Ozon Kilder inne: maling, løsemiddel, air freshner, rensemiddelrester i klær. Hydrokarboner (kun hydrogen og karbon): Inkluderer methan, butan, orioabe ictabem, Naturlige: planter og særlig trær. Antropogene: industri og biler (ufullstendig forbrenning og fordamplning av bensin) Ikke så farlige alene, men: Hydrocarbon+ NO+O photochemical smog. Sekundær: dannes i atmosfæren gir photokjemisk smog Produksjonen avhenger av VOCer og NO x. 7 Hva er de primære kildene til karbonmonoksid i atmosfæren? Hvis disse er primært ikke-antropogene, hvorfor er CO en forurenser? CO skapes under ufullstendig forbrenning (det ikke er nok oxygen). Det slippes ut i atmosfæren gjennom vulkanutbrydd, skogbrann, noen bakterier slipper det ut osv. Antropogene kilder er forskjellige former for ufullstendig forbrenning, spesielt biler. Naturlige prosesser slipper ut mye mer CO totalt enn mennesker, men dette tas relativt raskt ut av atmosfæren av kjemisk nedbrytning i atmosfæren og jordbakterier som bryter ned CO. Når CO likevel kan nå farlig høye nivåer i byer, er det fordi utslippene er veldig høye på et sted og konsentrasjonene blir høye der. Dette gjelder særlig for steder med dårlig ventilasjon som tuneller. 8 Hva er de primære kildene til svoveldioksid (SO 2 ) og svoveltrioksid (SO 3 ) i atmosfæren? SO 2 og SO 3 slippes ut ved forbrenning av fossilt (kull og olje) og smelteverk f.eks. Jmf. nikkel. SO3 kan slippes ut primært men dannes også fra SO2 som en sekundær forurenser. De naturlige kildene (står for ca 2/3) er f.eks bakterier som slipper ut H 2 S (lukter rottene egg) eller vulkaner eller DMS som slippes ut fra havet (dannes av bakterier der). 9 Ville en person merke at det var høyt CO innhold i lufta eller at det var høyt SO 2 nivå i lufta først? En person ville merket SO 2 først fordi den irriterer luftveiene og lukter vondt. CO er vanskelig å merke fordi den er luftfri, derfor kalles den visstnok The silent killer. 10 Hvilke primære forurensere vil kunne føre til sur nedbør og sur tåke (acid fog)? SO 2 reagerer med oksigen og vann og danner H2SO4 som er en sterk syre. Dette kan skje enten i skyer og skape sur nedbør eller i tåke og skape sur tåke. NO x skaper også sur nedbør ved å reagere og danne HNO3 (salpetersyre). 5
Figure 5: Horisontal kontroll på forurensning 11 Hvorfor er NO mye mindre vanlig enn NO 2 i atmosfæren? NO og NO 2 går i syklus: NO reagerer med andre stoffer (og stjeler et oksigen) og danner NO 2 og NO 2 photolyserer og blir til NO. Reaksjonen fra NO til NO2 går imidlertid raskere (og pholyse skjer bare om dagen) og derfor har vi mer NO2. 12 Beskriv sammensetningen av VOC VOC er organiske stoffer som fordamper ved lave temperaturer. En stor underklasse er flyktige hydrokarboner: altså stoffer som er dannet av karbon og hydrogen. 13 Hvordan skiller London-type and Los Angeles-type smog seg fra hverandre? London-smog får man når man har forurenset og fuktig luft slik at partiklene i lufta sveller opp fordi vannet kondenserer på partiklene. Los Angeles-type smog er som regel tørr og kommer av vi har både VOC og NO x og sollys. Dette etterlater partikler i atmosfæren og også høye ozonnivåer. 14 Beskriv de atmosfæriske kontrollene som påvirker konsentrasjonen av luftforurensning Det viktige her er hvor stort område utslippene spres på. To dimensjoner: Horisontalt: Har vi mye vind, vil forforutrenseren raskt blandes med renere luft og være lav. Figur 5. Vertikalt: Hvor effektivt forurenseren blandes oppover avhenger av hvor effektivt luften kan blandes oppover. Har vi et ekstremt stabilt lag, så vil ikke luften kunne blandes effektivt. Figur 6. Critical thinking 2 Forurensning i form av aerosoler eller gasser som danner aerosoler i atmosfæren har en nedkjølende effekt. Uten disse tror man derfor oppvarmingen ville vært enda varmere. Hva skjer i såfall hvis vi forurenser mindre? 6
Figure 6: Vertikal kontroll på forurensning 7