Troposfera

Dowiedz się więcej!

Występowanie i zawartość gazów atmosferycznych (1)

Dowiedzieliśmy się dużo o gazach w naszej atmosferze, głównie w troposferze, która jest najniższą warstwą atmosfery.  Znajdują się w niej niezliczone związki chemiczne. Ale ich stężenia i rozmieszczenie mogą być bardzo odmienne.
 

Jak opisać gaz zawarty w atmosferze?

Ilość

Gaz w atmosferze może być::

a) głównym składnikiem powietrza (tlen, azot, argon),
b) głównym gazem śladowym (dwutlenek węgla, metan, ozon, dwutlenek azotu),
c) drugorzędnym gazem śladowym (wiele gazów organicznych, takich jak butan, etanol, ale też np. CFC)
 
Gazy śladowe to takie, których zawartość w składzie powietrza jest wyjątkowo niska, np. może to być mniej niż jedna cząsteczka gazu na jeden miliard, albo nawet na bilion cząsteczek powietrza.   
 

Nieporozumienia związane z jednostkami stosunku zmieszania ppm i ppb

W licznych publikacjach naukowych zawartość związku chemicznego w powietrzu jest wyrażona w ppm (części na milion) albo ppb (części na miliard). My też używamy tutaj tych skrótów, ponieważ  jest to powszechną praktyką, stosowaną wszędzie na świecie. Ale skróty te mogą wywołać pewne nieporozumienie.

Oto trzy typowe pomyłki:

1) Często jest napisane: "stężenie CO₂ w powietrzu wynosi 370 ppm."  Jest to błąd. 370 ppm to stosunek zmieszania, a nie stężenie. Stężenie liczone jest na przykład za pomocą stosunku masy do objętości, jak stężenie ozonu 100 µg/m³. Stężenie wyrażamy w konkretnych jednostach.

2) Stosunek zmieszania tak naprawdę nie ma jednostek. Jednostki można bowiem wyeliminować. Te wartości mówią nam jedynie, że mamy 370 cząsteczek na 1 000 000, jeśli piszemy 370 ppm. Bardziej poprawne wyrażenie brzmi: 370 µmol/mol.

3) wyraz "bilion" i "trylion" mają różne znaczenie w różnych krajach:
1 bilion w USA = 1 miliard w Wielkiej Brytanii (i w Polsce) = 1 000 000 000 (=10⁹)
1 trylion w USA = 1 bilion w Wielkiej Brytanii (i w Polsce) = 1 000 000 000 000 (=10¹²)

W Polsce: 10¹⁵ = biliard (kwadrylion w USA), 10¹⁸ = trylion (kwintylion w USA)

W wielu innych językach (we francuskim: miliard, w niemieckim: Milliarde) znaczenia tych wyrazów bliższe są terminologii brytyjskiej (1 miliard) niż amerykańskiej do oznaczenia 10⁹.  Tak więc, nie należy ich mylić ze sobą! 
 

często używane:	bardziej poprawnie:	oznacza:
ppm (części na milion)	µmol / mol = 10-6 (micromol / mol)	1 na 1 000 000
ppb (części na miliard)	nmol / mol = 10-9 (nanomol / mol)	1 na 1 000 000 000
ppt (części na bilion)	pmol / mol = 10-12 (pikomol / mol)	1 na 1 000 000 000 000

Rozmieszczenie

W zależności od warunków występujących w danym miejscu i czasie dany gaz w atmosferze może być:         
 

Równomierne rozmieszczenie oznacza, że wszędzie na kuli ziemskiej i niezależnie od wysokości n.p.m. występują podobne wartości stosunku zmieszania danego gazu. Tak jest w przypadku gazów trwałych, o długim okresie przebywania w atmosferze. Są one bardzo powoli usuwane z atmosfery i nie wchodzą w reakcje chemiczne, chyba że tylko w małych ilościach.

 Przykład: podtlenek azotu N₂O

2. Rozmieszczenie podtlenku azotu w atmosferze, zmierzone nad Oceanem Spokojnym na różnej wysokości i  w różnych szerokościach geograficznych. Na wykresie widoczny zakres możliwego błędu pomiarowego. 
Źródło: J. E. Collins et al., J. Geophys. Badania, 101, D1 (1996) p. 1975-84   
Objaśnienia: altitude - wys. n.p.m., nitrous oxide - podtlenek azotu, latitude - szer. geogr. 

Podtlenek azotu N₂O jest gazem rozmieszczonym równomiernie w atmosferze. Jednakże, jego stężenie wzrosło w czasie ostatnich 200 lat, głównie z powodu działalności człowieka.

3. Wykres: Elmar Uherek

Zmiany w czasie

Ilość niektórych gazów w atmosferze może zależeć przede wszystkim od dopływu promieniowania słonecznego, zwłaszcza wtedy gdy biorą one udział w procesach chemicznych związanych z fotolizą. W tym przypadku gazy te podlegają fluktuacjom dziennym, a czasami też sezonowym.

Zmiany koncentracji w ciągu dnia: rodnik hydroksylowy OH

Zawartość OH w powietrzu zależy od światła słonecznego, wzrasta podczas dnia i spada w nocy, jak opisano w rozdziale o utlenianiu.
 

Zmiany koncentracji w ciągu roku: formaldehyd

Formaldehyd HCHO jest gazem, który powstaje podczas pożarów lasów i innych formacji roślinnych. Przy pomocy przyrządu GOME umieszczonego na satelicie zaobserwowano wysokie stężenia gazów w porach występowania pożarów lasów (marzec w południowo-wschodniej Azji, wrzesień w Brazylii). 
 

Stężenie niektórych gazów ulega zmianom jedynie w dłuższym czasie, np. w ciągu dekad, setek, tysięcy albo nawet milionów lat. Działalność człowieka podczas ostatnich 200 lat spowodowała wzrost średniego stężenia wielu gazów, np. omówionego już N₂O.          
 

Okres wegetacyjny i wpływ działalności człowieka: dwutlenek węgla (CO₂)

Dwutlenek węgla jest doskonałym przykładem, by pokazać globalne rozmieszczenie gazu w atmosferze. Jest  to raczej trwały gaz i dlatego występuje na całej kuli ziemskiej. Ale wiemy jedno: z powodu działalności człowieka ilość dwutlenku węgla ciągle wzrasta, jak widać na ryc. 6.
Większość CO₂ powstaje na półkuli północnej, ponieważ  lądy zajmują tam znacznie więcej powierzchni niz na półkuli pd., ponadto żyje tam znacznie więcej ludzi, którzy dodatkowo zużywają spore ilości energii (pomyśl o Europie, Stanach Zjednoczonych, Chinach i Indiach).         
 

Dlatego wzrost stężenia dwutlenku węgla następuje najpierw na półkuli północnej, a następnie gaz ten powoli przemieszcza się na południe. Przejście przez równik zajmuje trochę czasu, ponieważ wymieszanie powietrza na jednej półkuli przebiega szybciej niż wymieszanie między dwoma półkulami.
Ale możemy dostrzec coś innego: roczny przebieg zawartości CO₂ zmienia się. W zimie drzewa i inne rośliny przestają rosnąć i pochłaniają mniej CO₂. Równocześnie ludzie zaczynają ogrzewać swoje domy i emitują więcej CO₂. W konsekwencji najwyższe stężenie występuje na końcu okresu grzewczego, w maju, a o około 5 ppm mniej CO₂ notuje się przy końcu okresu wegetacyjnego w październiku. Ryc. 7 pokazuje te zmiany.   
 

O tej stronie:

Autor: dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: dr Rolf Sander - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy - 2004-05-18
Ostatnia aktualizacja: 2004-05-24
Tłumaczenie na język polski: mgr Jerzy Bojan, Zespół Szkół, Proszowice; dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków