4.1: Атмосферний склад

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37949

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Основні гази, які складають сьогоднішню атмосферу, наведені в табл\(\PageIndex{1}\). Коефіцієнт змішування газу X визначається як частка загальних молів, які є молями газу X. Наприклад, 78 молів кожні 100 загальних молів повітря є азотом, тому коефіцієнт змішування азоту становить 0,78. Відзначимо, що в атмосферному складі коефіцієнтом змішування є молі газу, розділені на загальні молі повітря. На відміну від цього, коефіцієнт змішування водяної пари - це маса водяної пари, розділена на масу сухого повітря.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Основні складові в сучасній атмосфері Землі
Складові	Молекулярна маса (г/моль)	Коефіцієнт змішування (моль ^-1)	Роль в атмосфері
азот (N ₂)	28.013	0.7808	прозорий; забезпечує теплоємність і імпульс; обмінюється з біомасою; розкладається при згорянні
кисень (O ₂)	31.998	0,2095	прозорий, за винятком екстремального ультрафіолету; забезпечує деяку теплоємність та імпульс; обмінюється життям; джерело важливих реактивних газів, таких як озон
Аргон (Ar)	39.948	0,0093	немає ролі
вуглекислий газ (СО ₂)	44.010	0,000385 (385 проміжок на мв)	прозорий у видимому; поглинає інфрачервоне світло (тобто сприяє глобальному потеплінню); обмінюється з життям; продукт горіння
неон (Ne)	20.183	0,0000182	немає ролі, але робить барвисті світяться знаки
водяна пара (Н ₂ О)	18.015	2х10 ^-6 до 0,05	газ прозорий у видимому; поглинає інфрачервоне світло (тобто сприяє глобальному потеплінню); існує у вигляді пари, рідини та твердої речовини; обмінюється життям; продукт згоряння
аерозольні частинки	варіюється	0-500 мкг ^-3 (зверніть увагу на різні одиниці виміру)	необхідні для утворення хмар; взаємодіють з видимим та інфрачервоним світлом; обмінюються поверхнями та життям
метан (СН ₄)	16.04	0.00000182 (1820 рік/хв)	прозорий у видимому; поглинає в інфрачервоному (тобто сприяє глобальному потеплінню); обмінюється життям; джерело CO ₂ і H ₂ O
озон (O ₃)	48.00	0,01 — 10 проміле	прозорий у видимому; поглинає в УФ та інфрачервоному діапазоні; реактивний і джерело більш реактивних газів
частинки	варіюється	0-100 мкг м ^-3 повітря	поглинає і розсіює світло; діє як CCN і IN (див. Нижче)

Ключові особливості газів включають їх стисливість (тобто здатність розширюватися або скорочуватися в об'ємі), їх прозорість у видимому, їх імпульс і їх теплоємність. Водяна пара має додаткову важливу особливість існуючих в парній, рідкій та твердій фазах в атмосфері та на поверхні Землі. Найважливіші властивості дрібних частинок включають їх здатність розчинятися у воді, щоб бути ядрами конденсації хмар (CCN) або підтримувати структуру решітки, подібну до льоду, щоб бути крижаними ядрами (IN), а також їх здатність поглинати і розсіювати сонячне світло. Ці властивості повністю залежать від розміру частинок і складу. Більшість атмосферних газів беруть участь у хімії атмосфери, яка ініціюється сонячним світлом, як ви незабаром побачите.

Одиниці, використовувані при кількісному оцінці складу атмосфери

Три різних одиниці зазвичай використовуються при визначенні кількості газів. Одним з них є коефіцієнт змішування маси, що представляє собою масу хімічного виду, поділену на загальну масу повітря. Ви вже стикалися з цим з питомою вологістю водяної пари. Друга - коефіцієнт змішування об'єму, який є лише кількістю молекул хімічного виду в одиниці об'єму, поділеної на загальну кількість всіх молекул в одиниці об'єму. Для газів з відносно великими фракціями, такими як азот, кисень та аргон, ми використовуємо відсоток для позначення цієї фракції. Для незначних газів, таких як діоксид вуглецю та озон, ми використовуємо частини на мільйон (10 ^-6) ppmv або частини на мільярд (10 ^-9) ppbv за обсягом (тобто числом, а не масою). Нарешті, нам потрібно використовувати концентрацію або число на одиницю об'єму, щоб розрахувати швидкість реакції та тривалість життя.

Щоб перетворити між об'ємними співвідношеннями змішування та концентраціями, використовуйте наступну процедуру. Для виду X, щоб перетворити співвідношення змішування, позначене _X, до концентрації, позначеної [X], використовуйте Закон ідеального газу, щоб знайти кількість загальних молекул в см ³, а потім помножити на _X, виражений у вигляді дробу. Припустимо р = 960 гПа (або мб) і Т = 296К, а X = 60 ppbv, тоді

\[[X]=\frac{p}{k T} \chi_{X}=\frac{96000 P a}{\left(1.38 \times 10^{-23} J K^{-1} \text { molecule }^{-1}\right)(296 K)}\left(\frac{1 m^{3}}{10^{6} c m^{3}}\right) 60 x 10^{-9}=1.4 \times 10^{12}\,molecules cm^{−3}\]