Блок Добсона

Единица Добсона (DU) — это единица измерения количества газовых примесей в вертикальном столбе атмосферы Земли . Он возник и продолжает использоваться в основном в связи с изучением атмосферного озона , общее количество которого в столбце, обычно называемое «общим озоном», а иногда и «содержанием столбца», определяется высокими концентрациями озона в стратосфере. озоновый слой .

Единица Добсона определяется как толщина (в единицах 10 мкм) того слоя чистого газа, который будет образован общим объемом колонки при стандартных условиях по температуре и давлению (СТП). Иногда его называют «миллиатмосантиметр». Таким образом, типичное количество атмосферного озона в столбе 300 DU образует 3-миллиметровый слой чистого газа на поверхности Земли, если его температура и давление соответствуют STP.

Прибор Добсона назван в честь Гордона Добсона , исследователя из Оксфордского университета , который в 1920-х годах построил первый прибор для измерения общего содержания озона на земле, используя монохроматор с двойной призмой для измерения дифференциального поглощения различных диапазонов солнечного ультрафиолета. излучение озонового слоя. Этот прибор, получивший название озонового спектрофотометра Добсона , стал основой глобальной сети мониторинга атмосферного озона. и стал источником открытия в 1984 году антарктической озоновой дыры .

Озон

НАСА использует базовое значение 220 DU для озона. Это было выбрано в качестве отправной точки для наблюдений за антарктической озоновой дырой , поскольку значения менее 220 единиц Добсона не были обнаружены до 1979 года. Кроме того, по прямым измерениям над Антарктидой результатом является уровень озона в столбе менее 220 единиц Добсона. потери озона из-за соединений хлора и брома .

Диоксид серы

Кроме того, единицы Добсона часто используются для описания общей плотности столба диоксида серы , который образуется в атмосфере в небольших количествах из-за сгорания ископаемого топлива, в результате биологических процессов с выделением диметилсульфида или в результате естественного сгорания, такого как лесные пожары. Большие количества диоксида серы могут быть выброшены в атмосферу также в результате извержений вулканов. Единица Добсона используется для описания общего количества диоксида серы в столбе, поскольку он появился на заре дистанционного зондирования озона с помощью ультрафиолетовых спутниковых приборов (таких как TOMS ).

Вывод

Единица Добсона возникает из закона идеального газа.

$PV=nRT,$

где P и V — давление и объем соответственно, а n , R и T — количество молей газа, газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)), а T — температура в кельвинах (К).

Плотность воздуха — это количество молекул или атомов в единице объема:

$n_{\text{air}}={\frac {A_{av}n}{V}},$

а при включении в закон реального газа числовая плотность воздуха находится с помощью давления, температуры и постоянной газовой константы:

$n_{\text{air}}={\frac {A_{av}P}{RT}}.$

Численная плотность (молекулы/объем) воздуха при стандартной температуре и давлении ( T = 273 К и P = 101325 Па) с помощью этого уравнения равна

$n_{\text{air}}={\frac {A_{av}P}{RT}}={\frac {(6.02\times 10^{23}\,{\frac {\text{molecules}}{\text{mol}}})\cdot (101325~{\text{Pa}})}{8.314{\frac {\text{J}}{\text{mol K}}}\cdot 273~{\text{K}}}}.$

С некоторыми единицами преобразования джоулей в паскаль кубические метры уравнение молекулы/объем имеет вид

${\frac {(6.02\times 10^{23}~{\frac {\text{molecules}}{\text{mol}}})\cdot (101325~{\text{Pa}})}{8.314~{\frac {{\text{Pa}}\,{\text{m}}^{3}}{\text{mol K}}}\cdot 273~{\text{K}}}}=2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}.$

Единица Добсона — это общее количество газовых примесей на единицу площади. В науках об атмосфере это называется плотностью столба. Но как же преобразовать единицы молекул на кубический метр (объем) в молекулы на квадратный сантиметр (площадь)? Это должно быть сделано путем интеграции. Чтобы получить плотность столбца, проинтегрируйте общий объем столбца по высоте. Согласно определению единиц Добсона, 1 DU = 0,01 мм газовых примесей при сжатии до уровня моря при стандартной температуре и давлении. Так, проинтегрировав числовую плотность воздуха от 0 до 0,01 мм, она станет равна 1 ДУ:

$\int _{0~{\text{mm}}}^{0.01~{\text{mm}}}(2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3})\,\mathrm {d} x=2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0.01~{\text{mm}}-2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0~{\text{mm}}$

${}=2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 10^{-5}~{\text{m}}=2.69\times 10^{20}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-2}.$

Таким образом, значение 1 DU составляет 2,69 × 10. ²⁰ молекул на квадратный метр.