Atmosfera Ziemi
Atmosfera Ziemi
Wykład 2
Wykład 2
Atmosfera ziemska jest fizyczną mieszaniną
gazów, która otacza kulę ziemską i przechodzi
dyfuzyjnie w przestrzeń kosmiczną.
Wynika z tego, że:
1. Składniki atmosfery - pierwiastki i związki chemiczne - nie
wchodzą ze sobą w reakcje chemiczne w normalnych
warunkach, np. tlen i azot istnieją w tej mieszaninie gazowej i
nie reagują ze sobą (w specjalnych warunkach, np. podczas
wyładowań atmosferycznych, powstają jednak tlenki azotu).
2. Atmosfera ziemska nie ma określonej górnej granicy. Jej
gęstość, największa przy powierzchni ziemi, maleje wraz z
wysokością, aż w końcu staje się nieodróżnialna od gęstości
materii międzygwiezdnej.
Powstanie atmosfery ziemskiej
Czy wczesna atmosfera ziemska była silenie redukcyjną mieszaniną
Czy wczesna atmosfera ziemska była silenie redukcyjną mieszaniną
gazów o składzie podobnym do składu atmosfer zewnętrznych?
gazów o składzie podobnym do składu atmosfer zewnętrznych?
Zawartość gazu w warstwie atmosfery ponad chmurami wyrażone
liczbą cząsteczek przypadającą na metr kwadratowy podstawy
Planeta
tej warstwy.
H2 He CH4 NH4
1,8�" 9,1�" 1,2�" 2,6�"
�"1030 �"1029 �"1027 �"1026
�" �" �" �"
�" �" �" �"
Jowisz
3,7�" - 9,4�" 6,7�"
�"1030 �"1027 �"1025
�" �" �"
�" �" �"
Saturn
1,3�" - 9,4�"
�"1031 �"1028
�" �"
�" �"
Uran
- - 1,6�" -
�"1029
�"
�"
Neptun
Zawartość gazu w % całkowitej objętości atmosfery
CO2 N2 Ar O2 H2O HCl HF CO
2�"
�"10-
�"
�"
Wenus 95 <5 <4�" 10-2 10-4 2�"
�"10-3 �"10-2
�" �"
�" �"
6
Ziemia 0,03 78 1 21 1-2 - - 10-5
Powstanie atmosfery ziemskiej
Powstanie atmosfery ziemskiej
Czy wczesna atmosfera ziemska była silenie redukcyjną mieszaniną
Czy wczesna atmosfera ziemska była silenie redukcyjną mieszaniną
gazów o składzie podobnym do składu atmosfer zewnętrznych?
gazów o składzie podobnym do składu atmosfer zewnętrznych?
A może była tylko mieszaniną średnio zredukowanych gazów o
A może była tylko mieszaniną średnio zredukowanych gazów o
składzie podobnym do składu mieszaniny gazów wulkanicznych?
składzie podobnym do składu mieszaniny gazów wulkanicznych?
Udział
Nazwa gazu
(%całkowitej objętości)
H2O
79,31
CO2
11,61
Średni skład gazów
SO2
6,48
wulkanicznych na
N2
1,29
Hawajach
H2cxx
0,58
CO 0,37
S2
0,24
Cl2
0,05
Ar 0,04
Razem 99,97
Obecna atmosfera swym składem nie
Obecna atmosfera swym składem nie
przypomina składu mieszaniny gazów
przypomina składu mieszaniny gazów
wulkanicznych
wulkanicznych
Skład (%w całej objętości)
Nazwa gazu
Gaz Obecna
wulkaniczny atmosfera
1,29 78,08
N2
- 20,95
O2
79,31 1-2
H2O
11,61 0,03
CO2
0,04 0,93
Ar
Ewolucja atmosfery ziemskiej
Ewolucja atmosfery ziemskiej
H20
Większość pary wodnej skondensowała
tworząc oceany i morza
Większość CO2 po rozpuszczeniu
CO2
w oceanach wytworzyła osady węglanowe
CaCO3  kalcyt i CaMg(CO3)2
Azot cząsteczkowy jest obojętny chemicznie.
Cały azot uwalniany z wnętrza ziemi
N2
zakumulował w atmosferze.
Nie powstał w wyniku działania wulkanów.
Powstał z H2O i CO2 w procesie
O2
fotechemicznym
a następnie w wyniku fotosyntezy
Ewolucja atmosfery ziemskiej cd..
Ewolucja atmosfery ziemskiej cd..
Fotoliza H2O
Jak powstawał tlen? Fotoliza H2O
-
-
-
1. H2O + OH- + H+
przy udziale promieniowania UV o długości fali <240 nm.
2. OH- + OH- O + H2O (OH- - rodnik hydroksylowy)
Fotoliza CO2
Fotoliza CO2
3. CO2 + CO + O <230 nm
3. CO2 + CO + O <230 nm
4. O + O + M = O2 + M
4. O + O + M = O2 + M
Tlen cząsteczkowy O2 może też powstawać z produktów tworzonych w
Tlen cząsteczkowy O2 może też powstawać z produktów tworzonych w
reakcjach (1) i (3) według reakcji:
reakcjach (1) i (3) według reakcji:
5. O + OH O2 + H
5. O + OH O2 + H
Ewolucja atmosfery ziemskiej cd..
Ewolucja atmosfery ziemskiej cd..
Jak powstawał tlen?
Fotosynteza
Fotosynteza
8. nH2O + mCO2 Cm(H2O) + mO2
Redukcja tlenu i powstanie ozonu
O2 + O + O (� < 310 nm)
O + O2 + M O3 + M
O3 + O + O2 (� < 1100 nm)
Tempo zwiększania się stężenia O2 w atmosferze ziemi
Stężenie tlenu
Czas
w % obecnego stężenia
2 miliardy lat temu 1
1 miliard lat temu 5
670 milionów lat temu 7
550 milionów lat temu 10
400 milionów lat temu 100
OBECNY SKA
AD ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
OBECNY SKA
AD ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
AZOT N2 78,08
Składniki
TLEN O2 20,95
99,99%
główne
ARGON Ar 0,93
DWUTLENEK W
GLA CO2 0,034
NEON Ne 18
HEL He 5
KRYPTON Kr 1
XENON Xe 0,09
Składniki
METAN CH4 1,7
drugorzędne
TLENEK W
GLA CO 0,1
ppm
WODÓR H2 0,5
PODTLENEK AZOTU N2O
0,31
10  stratosfera
0,005-0,05
OZON O3
0,5
SIARKOWODÓR H2S 0,2
DWUTLENEK SIARKI SO2 0,2
AMONIAK NH3 6 ppb
Domieszki
DWUTLENEK AZOTU NO2 1  100
CH2O, 0 - 10
FREONY
CFCs < 1
Jednostki określające stosunek zmieszania
Jednostki określające stosunek zmieszania
często używane: bardziej poprawnie: oznacza:
ppm �mol / mol = 10-6
(części na milion) (micromol / mol) 1 na 1 000 000
ppb nmol / mol = 10-9
(części na miliard) (nanomol / mol 1 na 1 000 000 000
ppt pmol / mol = 10-12
(części na bilion) (pikomol / mol) 1 na 1 000 000 000 000
Czy możesz wyobrazić sobie jeden ppb?
ppb = części na miliard
1 Hindus na całe Indie, 1 cent na 10 mln euro, 1 sekunda na 32 lata.
A jeden ppt?
ppt = części na bilion
1 znaczek pocztowy na obszar wielkości Paryża ...
OBECNY SKA
AD ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
OBECNY SKA
AD ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
AZOT N2 78,08
Składniki
TLEN O2 20,95
99,99%
główne
ARGON Ar 0,93
DWUTLENEK W
GLA CO2 0,034
NEON Ne 18
HEL He 5
KRYPTON Kr 1
XENON Xe 0,09
Składniki
METAN CH4 1,7
drugorzędne
TLENEK W
GLA CO 0,1
ppm
WODÓR H2 0,5
PODTLENEK AZOTU N2O
0,31
10  stratosfera
0,005-0,05
OZON O3
0,5
SIARKOWODÓR H2S 0,2
DWUTLENEK SIARKI SO2 0,2
AMONIAK NH3 6 ppb
Domieszki
DWUTLENEK AZOTU NO2 1  100
CH2O, 0 - 10
FREONY
CFCs < 1
Para wodna w atmosferze
13 700 km3 25 mm
Średnia roczna globalna suma opadów ??
1000 mm 40 x
Zawartość pary wodnej w atmosferze 10 lipca 1989 roku
Energochłonność procesów ogrzewania powietrza i
Energochłonność procesów ogrzewania powietrza i
parowania
parowania
o
C
Dt = 20
Utajone ciepło parowania???:
2 450 000 J/kg
1 litr (kilogram) wody
9
9
m
e
t
r
y
rozlany na powierzchni 1 m2
o
C
Dt = 6
1
0
c
m
1 mm
1 m
1 m
1 m
1 m
99 metrów
10 cm
Pionowy rozkład koncentracji gazów w atmosferze
Pionowy rozkład koncentracji gazów w atmosferze
Gaz
Wysokość Ciśnienie
Para Dwutlenek
w km w hPa
Argon Azot Tlen Wodór Hel
wodna węgla
150 99,73 0,27 0,0057
140 99,70 0,30 0,0064
130 0,02 99,64 0,34 0,0072
120 0,10 99,52 0,38 0,0080
110 0,40 0,02 99,16 0,42 0,0089
100 1,63 0,07 97,84 0,46 0,0101
90 6,57 0,32 92,62 0,49 0,0120
80 22,70 1,38 75,47 0,45 0,0163
70 0,02 53,73 4,05 41,95 0,27 0,0330
60 0,04 78,16 7,32 14,33 0,15 0,1077
50 0,08 86,16 10,01 3,72 0,03 0,620
40 0,16 86,51 12,45 0,88 2,00
30 0,22 84,48 15,10 0,20 10,69
20 0,55 81,34 18,05 0,01 0,05 52,67
15 0,74 79,56 19,66 0,02 0,02 117,3
11 0,94 78,02 0,01 20,99 0,03 0,01 223,4
5 0,94 77,89 0,18 20,95 0,03 0,01 538,6
0 0,93 77,08 1,20 20,75 0,03 0,01 1013,2
Atmosfera ziemska zmienia się również obecnie &
Atmosfera ziemska zmienia się również obecnie &
Parametr
Gaz
CFC- CFC- NO
CO CH
11 12
Koncentracja
280 0,8 288
w okresie
0 0
ppm ppm ppb
przed-przemysłowym
Koncentracja
353 1,72 280 484 310
w 1990 r
ppm ppm ppt ppt ppb
Obecne tempo 1,8 0,015 9,5 17 0,8
wzrostu ppm ppm ppt ppt ppb
koncentracji 0,5% 0,9% 4% 4% 0,25%
Czas życia
50-200 10 65 130 150
w atmosferze
Właściwości fizyczne atmosfer planet typu
Właściwości fizyczne atmosfer planet typu
ziemskiego (J.A. Wood 1983)
(J.A. Wood 1983)
ziemskiego
Temperatura Ciśnienie Skala Masa
powierzchniowa powierzchniowe wysokości atmosfery
Planeta
(0C) (atm) (km) (kg cm-2)
99 115
14,9
468
Wenus
1 1,03
8,4
15
Ziemia
0,0052 0,016
10,6
-63
Mars
BUDOWA ATMOSFERY
BUDOWA ATMOSFERY
1000 km
Eksploracja atmosfery& .
Satelita meteo
1960
1946
100 km
1903
10 km
Balon na wodór
1804
Balon na ogrzane
1942
powietrze: 1783
1 km
1749
Czas
1700 1800 1900 2000
BUDOWA ATMOSFERY
BUDOWA ATMOSFERY
Egzosfera
powyżej 400 km
300 km
Jonosfera
80 km
Mezosfera Egzosfera
50 km
Stratosfera
10 km
Troposfera
Budowa atmosfery ziemskiej
Budowa atmosfery ziemskiej
10000
Średnia droga
5000 MAGNETOSFERA
swobodna
cząsteczki
2000
hPa
1000
10-10 100 km
EGZOSFERA
500
10-8
TERMOSFERA
F2 1 km
JONOSFERA
F1
200
10-6
E
10-4
100
D
10-2 1 cm
MEZOSFERA
50
1
O3
10-4 cm
20
STRATOSFERA
100
10
Mt. Everest
99,999%
Mt. Blanc
TROPOSFERA
5
99,5%
10-5 cm
90%
2 Śnieżka
1
1000
-50� 0� 50� 100�
ZMIANA CIŚNIENIA I TEMPERATURY
ZMIANA CIŚNIENIA I TEMPERATURY
WRAZ ZWYSOKOŚCI
W ATMOSFERZE
WRAZ ZWYSOKOŚCI
W ATMOSFERZE
hPa
�C
1200 20
1000 0
800 -20
600 -40
400 -60
200 -80
0 -100
0 20000 40000 60000 80000 100000
m
Ciśnienie atmosferyczne na
dowolnym poziomie w atmosferze
jest równe ciężarowi słupa powietrza
znajdującego się ponad tym
poziomem, przypadającego na
jednostkę powierzchni na wysokości
h
m
�łkg �" łł
"
�ł
m�" g
s2 śł
P = �ł
P = g(z)q(z) dz
S m2 śł
+"
�ł śł
h
�ł �ł
g(z)  funkcja określająca zmianę
g(z)  funkcja określająca zmianę
przyspieszenia ziemskiego wraz ze zmianą
przyspieszenia ziemskiego wraz ze zmianą
wysokości nad poziomem morza,
wysokości nad poziomem morza,
q(z)  funkcja określająca zmianę gęstości
q(z)  funkcja określająca zmianę gęstości
atmosfery wraz ze zmianą wysokości nad
atmosfery wraz ze zmianą wysokości nad
poziom morza
poziom morza
20
10
200 400 600 800 1000 hPa
Ciśnienie atmosferyczne
Wysokość km
Znając ciśnienie na poziomie
Z1 i średnią temperaturę
warstwy powietrza zawartej
pomiędzy poziomami Z1 i Z2
można wyliczyć ciśnienie na
poziomie Z2 ze wzoru:
g
- (z2 -z1 )
R�"Tm
p2 = p1 �" e
g  przyspieszenie ziemskie
g  przyspieszenie ziemskie
R  stała gazowa
R  stała gazowa
Równowaga hydrostatyczna atmosfery
Opracowano na podstawie:
Opracowano na podstawie:
Podstawy Agrometeorologii. Andrzej Kędziora.
Podstawy Agrometeorologii. Andrzej Kędziora.
Poznań, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne
Poznań, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne
http://www.atmosphere.mpg.de/enid/7fb39865f7b127bf1dc3c0d2a329635a,0/podstawy/1__Budowa_i_sk_ad_3oz.html
http://www.atmosphere.mpg.de/enid/7fb39865f7b127bf1dc3c0d2a329635a,0/podstawy/1__Budowa_i_sk_ad_3oz.html